Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных источников, цели и задачи исследования 10
1.1 Конструкции и принципы работы тепловых утилизаторов 10
1.2 Обзор методов расчета и результатов экспериментальных исследований регенеративных теплообменников 15
1.3 Основные выводы по обзору литературы. Постановка целей и задач исследований 19
ГЛАВА 2. Методы моделирования тепловых и гидродинамических процессов в тепловом регенераторе 21
2.1 Расчёт эквивалентной геометрии канала теплового регенеративного теплообменника 21
2.2 Уравнения теплообмена и массопереноса в канале регенеративного теплообменника 23
2.3 Программа инженерного расчёта эффективности регенеративного теплоутилизатора с учётом конденсации и испарения 42
2.4 Моделирование процессов тепломассопереноса в регенеративном теплообменнике методами вычислительной гидродинамики 43
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования регенеративного теплообменника 57
3.1 Описание экспериментальной установки 57
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 69
3.3 Оценка погрешности измерений. 76
ГЛАВА 4. Результаты расчетного исследования регенеративного теплообменника 80
4.1 Расчет коэффициентов тепломассообмена и эффективности 80
4.2 Оценка влияния формы канала на эффективность теплообмена 98
4.3 Сопоставление результатов расчетного и экспериментального исследования 103
Основные результаты 107
Литература 108
- Обзор методов расчета и результатов экспериментальных исследований регенеративных теплообменников
- Уравнения теплообмена и массопереноса в канале регенеративного теплообменника
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Оценка влияния формы канала на эффективность теплообмена
Введение к работе
Актуальность работы
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха являются сложными инженерными объектами зданий, сооружений и автономных объектов. Капитальные затраты на такие системы достигают 20% от стоимости зданий, а эксплуатационные издержки – 25-40% от их общей стоимости. В системах жизнеобеспечения для сокращения эксплуатационных затрат широко используются энергосберегающие мероприятия и вторичные энергетические ресурсы.
Энергетическая эффективность систем кондиционирования во многом определяется качеством организации вентиляционных потоков внутри помещений, теплопередачей через ограждающие конструкции и теплообменом между приточным и вытяжным воздухом.
Большие градиенты параметров микроклимата могут стать причиной
«синдрома больного здания». Поэтому основным направлением
совершенствования систем жизнеобеспечения является повышение
энергетической эффективности при безусловном соблюдении санитарно-гигиенических требований к качеству воздуха.
Очевидно, что схемы с рециркуляцией вытяжного воздуха обеспечивают
максимальную энергетическую эффективность систем вентиляции, но для
многих жилых, офисных и промышленных помещений рециркуляция
недопустима. Это, как правило, связано с опасностью переноса химических или
биологических загрязнений, либо с высокими требованиями к качеству воздуха
в «чистых» помещениях. Исходя из изложенного выше, эффективность систем
кондиционирования во многом определяется качеством процессов
тепломассопереноса в теплообменном оборудовании, т.е. в рекуперативных или регенеративных теплообменниках. Анализ энергетической эффективности показывает, что для режимных параметров, характерных для систем кондиционирования воздуха, одним из наиболее эффективных являются регенеративный теплообменник.
Особенностью регенеративного теплоутилизатора является то, что одна и та же поверхность насадки попеременно обдувается теплым и холодным потоками влажного воздуха. Регенератор аккумулирует теплоту за время, когда удаляемый из помещения теплый воздух проходит через холодную насадку. На следующем этапе, когда внешний холодный воздух проходит через более теплую насадку, он нагревается.
Не останавливаясь на особенностях эксплуатации такого оборудования следует отметить, что при его проектировании и выборе режима работы необходимо учитывать возможность выпадения конденсата из удаляемого воздуха на холодных поверхностях теплообменных аппаратов. Выпавший конденсат уменьшает проходное сечение воздушных каналов и увеличивает термическое сопротивление, что может привести к полному прекращению движения воздушных потоков в теплообменнике. С точки зрения зашиты от выпадения конденсата роторные регенеративные теплообменники являются
предпочтительными по сравнению с рекуперативными, так как изменение частоты вращения насадки позволяет регулировать длительность циклов регенерации и аккумуляции теплоты в материале насадки, и, следовательно, температуру стенок насадки.
Процессы тепломассопереноса существенно зависят от конструкции регенератора и, в частности, - от организации воздушных потоков через теплоаккумулирующую насадку. В настоящее время появились новые полимерные и композитные материалы, использование которых может существенно повысить эффективность теплообменников.
Возросшая потребность в энергосберегающих системах
кондиционирования и вентиляции приводит к необходимости детального рассмотрения нестационарного процесса тепломассообмена, свойственного регенеративным теплоутилизаторам и разработке методов его расчёта с учетом процессов массопереноса.
Цели и задачи работы
Целью диссертационной работы является разработка моделей и методов
расчета основных теплотехнических характеристик регенеративных
теплообменников систем кондиционирования и вентиляции воздуха с учетом процессов конденсации и испарения влаги.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
Разработать математическую модель процессов тепломассопереноса для теплоаккумулирующих насадок различного типа, с учетом возможности выпадения конденсата.
Разработать CFD модель, позволяющую получить коэффициенты теплопереноса и массопереноса для упрощенной инженерной модели.
Создать компьютерную программу расчета основных теплотехнических характеристик регенеративных теплообменников с различными типами насадок в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.
Провести расчетное исследование влияния формы канала на эффективность теплообмена и оценить возможности использования в расчетах каналов с эквивалентной формой сечения.
Для оценки адекватности разработанных математических моделей физическим процессам, проходящим в реальных теплообменниках, провести экспериментальные исследования и выполнить сравнение результатов расчетных и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы
Разработана математическая модель тепломассопереноса в регенеративных теплообменниках для теплоаккумулирующих насадок различного типа.
Разработана CFD модель, позволяющая получить коэффициенты теплопереноса и массопереноса для установившегося циклического движения влажного воздуха в канале теплообменника.
Создана компьютерная программа расчёта основных теплотехнических характеристик регенеративных теплообменников с различными типами насадок в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.
Разработан стенд и методика экспериментального исследования процессов тепломассопереноса в роторном теплообменнике.
Проведено исследование влияния формы канала на эффективность теплообмена и показана возможность применения в проектировочных расчетах эквивалентной геометрии канала.
Личный вклад автора
Автором предложена математическая модель и методика расчета, разработана программа расчета, разработана методика эксперимента и экспериментальный стенд. Автор лично участвовал во всех экспериментах и обработке полученных данных. Автор разработал прототип компактной, высокоэффективной системы вентиляции с регенеративным теплообменником. Разработка заняла призовое место на всероссийском конкурсе на лучший проект в сфере энергосбережения и энергоэффективности среди аспирантов и студентов учреждений высшего образования, проводимом министерством образования и науки Российской Федерации.
Практическая значимость
Предложенная в работе методика расчёта пригодна к использованию в
проектно-конструкторской деятельности при проектировании
теплоаккумулирующих насадок систем вентиляции и кондиционирования
воздуха с учетом заданных климатических условий. Методика позволяет
решать оптимизационную задачу для достижения максимальной
эффективности оборудования в заданных условиях эксплуатации.
Разработанный подход использовался при разработке серии компактных энергосберегающих приточно-вытяжных вентиляционных приборов УВРК-50М компанией «НПФ «Экотерм».
Разработанный автором прототип устройства демонстрировался в Ленэкспо в рамках недели наукоёмких технологий в Центре импортозамещения и локализации в 2016 году. Результаты исследований используются в учебном
процессе НИУ ИТМО в курсе «Компьютерное моделирование систем жизнеобеспечения».
На защиту выносятся:
Математическую модель процессов тепломассопереноса для теплоаккумулирующих насадок различного типа с учетом возможности выпадения конденсата.
CFD модель, позволяющую получить коэффициенты теплопереноса и массопереноса для упрощенной инженерной методики.
Расчетное исследование влияния формы канала на эффективность теплообмена и оценка возможности использования в расчетах каналов с эквивалентной геометрией сечения.
Методика экспериментального исследования эффективности теплового регенератора.
Опытные и расчетные данные по достигаемым величинам коэффициентов эффективности теплоаккумулирующих насадок.
Апробация работы
Основные результаты исследования докладывались на STAR Russian Conference 2014 – 2014г.; XLIII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО – 2014г; VII Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» - 2015г; XLIV научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО – 2015г.; X международной научно-практической конференции SRC 2015 – 2015г.; XLV научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО – 2016г.; 6-ой международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» – 2016г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 58 страниц машинописного текста, 84 иллюстрации, 11 таблиц, 1 приложение. Список использованных литературных источников составляет 91 наименование работ отечественных и иностранных авторов.
Обзор методов расчета и результатов экспериментальных исследований регенеративных теплообменников
Характерной особенностью регенеративных теплообменников является не стационарность процессов тепломассопереноса в каналах насадки, поэтому расчёт теплообменников такого типа значительно сложнее, чем расчёт рекуператоров [31, 32 33, 34, 35]. Традиционный подход к расчету теплообменников основан на использовании критериальных зависимостей полученных в результате экспериментальных исследований. В ряде работ [36, 37] предполагая, что температура поверхность насадки изменяется линейно по длине и пренебрегая нестационарностью теплообмена предлагается использовать для расчета результаты полученные при исследовании рекуперативных теплоутилизаторов. Необходимо отметить, что данное допущение приемлемо только для противоточных рекуператоров [38]. В этом случае могут быть использованы предложенные уравнения теплового баланса и коэффициенты эффективности возврата тепла. Другой подход предполагает учет нелинейности и нестационарности температурного поля теплоаккумулирующей насадки [39, 40, 41], но позволяет получить только качественные оценки влияния этих факторов на теплоперенос. Уточнению влияния отдельных конструктивных и режимных аспектов на эффективность тепловых утилизаторов регенеративного типа посвящены работы [42, 43, 44, 45, 46, 47]. Экспериментальные исследования процессов теплообмена в теплоаккумулирующих насадках различных типов представлены в работах [48, 49, 50, 51, 52]. Эти результаты носят фрагментарный характер и направлены в основном на изучение отдельных процессов и эффектов. В большинстве работ опытные данные представлены в виде критериальных зависимостей, что затрудняет, а в большинстве случаев не позволяет использовать их для верификации методов расчета процессов тепломассопереноса в регенеративных теплообменниках [53, 54, 55].
Одним из перспективных направлений исследования процессов тепломассопереноса в системах жизнеобеспечения является использование методов вычислительной гидродинамики (CFD) [56].
Компьютерное моделирование широко применяется при проектировании систем вентиляции и воздухораспределения в жилых производственных и офисных помещениях [57, 58, 59, 60, 61, 62]. В данных работах моделируется движение сухого воздуха поэтому процессы конденсации паров воды на ограждающих конструкциях не рассматриваются.
Так как экспериментальное исследование процессов в каналах малых размеров весьма затруднительно, то CFD моделирование нашло широкое применение для оценки эффективности теплоотдачи в микроканалах [63, 64, 65, 66].
Li и Garimella исследовали тепломассоперенос в микроканалах и показали, что поведение жидкости в них такое же, как и в макроканалах, поэтому существующие методы и алгоритмы расчёта теплообменных структур дают хорошие результаты для ламинарного течения в прямоугольном канале с гидравлическим диаметром в диапазоне 244-974 мкм [67, 68]. Следует отметить, что такой размер каналов характерен для пористых сред. Результаты, полученные с использованием программного комплекса CFX 5.5.1 показали, что эффект перемешивания оказывает сильное влияние на теплопроводность жидкости с наночастицами. Получено распределение давления, скоростей и температурного профиля вокруг наночастиц [69].
Компьютерное моделирование позволяет описывать физику течения жидкостей, рассматривать процессы, происходящие в канале в динамике, но только недавно появились программные комплексы, позволяющие рассчитывать процессы конденсации и испарения в микроканалах.
В рассмотренных выше работах ни где не исследуется влияние процесса испарения и конденсации влаги в каналах теплообменников на эффективность работы устройств.
В то же время много работ проводится в направлении исследования процессов фазовых переходов на фундаментальном уровне, для формирования математических моделей и дальнейшего их использования в прикладной сфере [70, 71].
Процесс испарения и конденсации на данный момент наиболее часто описывается с использованием двух подходов для моделирования взаимодействия газа с поверхностью жидкости, это вариант с подвижной границей VOF (Volume Of Fluid) [72, 73] и вариант с тонкой плёнкой (Fluid Film) [74, 75]. Оба этих подхода реализованы в CFD пакетах Fluent и STAR-CCM+.
Модель VOF является простой многофазной моделью. Она подходит для моделирования различных несмешивающихся потоков на сетке, которая в состоянии разрешить границу между фазами смеси [76]. На рисунке 1.7 (а) показана сетка размер которой слишком велик по отношению к размеру рассматриваемой капли жидкости, и пример сетки (рисунок 1.7 (б)), когда на одну каплю приходится несколько ячеек, что является приемлемым, так как позволяет описывать физику процесса внутри жидкости и границу раздела системы «жидкость-газ».
Уравнения теплообмена и массопереноса в канале регенеративного теплообменника
После выхода на установившийся циклический режим работы ак,Е = Ярег,Е = КЬ, (2.71) где КЕ коэффициент энтальпийной эффективности регенеративного теплообменника. Равенство (2.71) справедливо при условии, что весь выпавший конденсат испаряется. Если это условие не выполняется, то конденсат накапливается в канале, что при отсутствии дренажа может привести к прекращению движения воздуха в канале.
В общем случае, время регенерации и аккумуляции может быть разным и должно зависеть от параметров окружающей среды. Следует отметить, что при увеличении времени циклов эффективность устройства уменьшается, но при этом улучшается ассимиляция приточного воздуха внутри помещения. В уравнениях приведенной выше математической модели используются коэффициенты теплоотдачи а и массоотдачи /? , которые в первом приближении могут быть определены из критериальных зависимостей. NuX а = —, (2.72) где: Nu - число Нуссельта, de - эквивалентный диаметр канала, - коэффициент теплопроводности воздуха. Эквивалентный диаметр канала вычисляется по формуле de = —, (2.73) где: Sa - площадь проходного сечения канала, П - смоченный периметр. Число Нуссельта зависит от чисел Рэлея - Ra, Рейнольдса - Re, и Пекле - Ре: Ra 3 105 \NU = 1.55 (Ре $)&, (2Л4) ( Ra 8 105 \Nu = 0.1S Ре033Ra01 є/ {ZJV ( Re 105 , л \Nu = 0.021 Re-8Pr-4V {ZJb) где et - поправочный коэффициент, который учитывает изменение коэффициента теплоотдачи по длине канала: г = 1 + 0.01 ( Re I V3 (2.77) Число Рейнольдса представляет собой отношение инерционных сил и сил вязкого трения потока и позволяет оценить тип течения (ламинарное, переходное, либо турбулентное) pvde Re =—, ї] (2.78) где: р - плотность среды (влажный воздух), v - средняя скорость среды, г] - динамическая вязкость среды. Число Рэлея характеризует течение среды под воздействием градиента температур. При больших значениях числа Рэлея структура течения разрушается и появляются конвективные потоки. Число Рэлея Вычисляется по формуле: Ra = Gr Pr, (2.79) где: Gr - число Грасгофа. Число Прандтля для воздуха Рг = 0.67. Число Грасгофа вычисляется по формуле: Gr Qp(xe \_is V То) (2.80) где: д - ускорение свободного падения, Ts - температура поверхности теплообменника, Т0 - температура теплоносителя, /? - температурный коэффициент объёмного расширения теплоносителя, v - коэффициент кинематической вязкости.
Критерий Пекле показывает соотношение между конвективным молекулярным переносом тепла и считается следующим образом: Ре = , (2.81) где: Ср - теплоемкость среды при постоянном давлении, X - коэффициент теплопроводности среды. По аналогии с коэффициентом теплоотдачи определяется коэффициент массоотдачи /? [м/с], который вычисляется по формуле: Nu D /? = , (2.82) где Nu — диффузионный критерий Нуссельта, представляющий меру отношения интенсивностей конвективной массоотдачи и диффузии поперёк неподвижного слоя вещества-носителя, D - коэффициент диффузии газа. Диффузный критерий Пекле является мерой отношения интенсивностей конвективного и диффузионного переноса в основном потоке носителя: Ре = . (2.83) D Диффузионный критерий Прандтля, который является мерой отношения вязкостных и диффузионных свойств потока, имеет вид: Рг = — (2.84) Re Подставив в формулу (2.84), (2.91) выражение (2.83) и (2.78), получим Рг = -, (2.85) где v - кинематическая вязкость среды. Физически процесс массообмена аналогичен теплообмену, исходя из аналогии законов Фурье и Фика можно найти зависимость между коэффициентами теплоотдачи и массоотдачи [80]:
a /? pcv (2.86) Для диффузии водяного пара в воздухе, формула (2.86) даёт результаты с отклонением не более 10% от реального значения /? [80]. (2.87) (2.88) Приведённый выше метод определения коэффициентов тепломассоотдачи основан на эмпирических результатах, полученных для установившегося течения потоков в каналах. Так как циклическое движение потока в канале регенеративного теплообменника является нестационарным процессом, то такой метод может привести к значительным погрешностям. Альтернативным подходом является определение коэффициентов тепломассоотдачи по результатам CFD моделирования. Q - количество теплоты отданной или принятой насадкой, Тр - средняя температура насадки за время т, Т - средняя температура воздуха в канале за время т, ж - изменение массы водяного пара в канале за время т , р - средняя концентрация пара в ядре потока р - средняя концентрация пара над поверхностью жидкости, т - рассматриваемый промежуток времени.
Все величины, входящие в формулы (2.87) и (2.88) определяются в результате интегрирования нестационарных трехмерных полей температуры и концентраций, полученных в CFD модели. 2.3 Программа инженерного расчёта эффективности регенеративного теплоутилизатора с учётом конденсации и испарения
Предложенный инженерный метод был реализован в компьютерной программе, написанной на языке C++. Работа программы начинается с задания всех теплофизических, геометрических и режимных параметров модели, далее проводится расчёт коэффициентов регенерации и аккумуляции. Предусмотрена возможность сохранения в виде Excel таблиц всех промежуточных результатов внешнего итерационного цикла, обеспечивающего равенство теплопередачи при аккумуляции и регенерации. Пользовательский графический интерфейс, показанный на рисунке 2.7, делится на шесть зон. Первые четыре зоны описывают теплофизические характеристики влажного воздуха и материала насадки, геометрические параметры канала и режим работы регенеративного теплообменника. Пятая зона предназначена для определения параметров дискретизации задачи по пространству и времени, и фиксированного числа внешних циклов итерационного процесса. Необходимо отметить, что так как количество узлов пространственно-временной сетки задается произвольно, может возникнуть конфликт между точностью вычислений и погрешностью разностной аппроксимации (см. раздел 2.2.5), что приводит к расхождению итерационных процессов. Для устранения этой проблемы в данной реализации компьютерной программы необходимо выполнить расчет с другими параметрами сетки.
Методика проведения экспериментальных исследований
Управление в «Ручном режиме» позволяет изменять режим работы установки. Необходимо отметить, что все параметры программируются, при входе в систему с правами администратора. Строка «Актуальный режим» отражает режим реализуемый в данный момент. «Температура наружного воздуха» показывает результаты измерения датчиком температуры, установленным на улице. «Температура приточного воздуха» отображает температуру воздух после прохождения им приточного воздуховода. Так как на этом пути он нагревается из-за теплообмена со стенками, хоть они и теплоизолированные, данный параметр очень важен, когда установка выходит на стационарный режим работы. «Актуальная температура в помещении» показывает параметры с датчика температуры, расположенного внутри помещения. «Температура удаляемого воздуха» показывает температуру воздуха после фильтров, перед роторным рекуператором.
При переходе в пункт «Основной вид», система показывает расширенные параметры, включая объемный расход воздуха в текущий момент времени. В этом разделе производится мониторинг текущего и запланированного состояния системы: температура текущая и запланированная для приточного воздуха, расход воздуха реальный и запланированный как для приточной, так и вытяжной системы. Для удобства работы с установкой, предусмотрена возможность работы в удалённом режиме через Web – интерфейс. Удаленный доступ к системе управления производится через браузер компьютера, либо другого устройства, находящегося в этой же сети. Изображение стартового экрана Web – интерфейса представлено на рисунке 3.12.
Система обеспечивает доступ к соответствующим параметрам и характеристикам для их редактирования или просмотра, в зависимости от прав доступа пользователя. Ниже представлена вкладка «Основной вид» (рисунок 3.13), которая по своим параметрам точно соответствует данным отражаемым на пульте управления. пишмь. С і- » Основной вид Актуальный режим работы Экономичный Актуальное рабочее состояние Ручной режим работы Программа изменения времени QTK/I. Температура наружного воздуха 19. ЗТ Температура в помещении 24.2С Температура удаляемого воздуха 20.5 Температура приточного воздуха 22.6С Управление клапаном наружного воздуха ВКЛ. Актуальная ступень вентилятора Ступеньї Актуальная уставка приточного вентилятора 20Єл/с Актуальная скорость приточного вентилятора 199.84л/с Выходной сигнал управления приточным вентилятором 52.304Ж Расход приточного воздуха 199.34л/с Актуальная уставка вытяжного вентилятора 20вл/с Актуальная скорость вытяжного вентилятора 198.57л/с Выходной сигнал управления вытяжным вентилятором 43,977% Расход удаляемого ноздуха 198.57л/с Актуальная регулируемая температура Удаляемый ноздух 2Є.5С Актуальная уставка режима охлаждения 41.0С Актуальная уставка режима обогрева ЗЁ.в С Актуальная уставка температуры приточного воздуха в режиме охлаждения 4Є.в ІС Актуальная устанка температуры приточного воздуха в режиме обогрева 4Й.в 1С Выходной сигнал управления теплоутилизатором 10ЄЖ Выходной сигнал управления воздухонагревателем 10@Ж Управление насосом воздухонагревателя ВКЛ. Cooling outp 5ignal вЖ Cooling pump cffld ОТКЛ. Рисунок 3.13 – Основные параметры Web интерфейса Ниже представлены меню нескольких вкладок запрограммированных режимов (рисунки 3.14 – 3.15). для различных Рисунок 3.14 – Параметры установки Web интерфейса
Представленные снимки графического интерфейса системы управления показывают, что автоматика позволяет задавать алгоритмы работы установки, а также контролировать необходимые параметры в процессе эксперимента. 3.2 Методика проведения экспериментальных исследований
Для оценки эффективности процессов тепломассопереноса во вращающейся насадке роторного рекуператора, измерялись параметры приточного и вытяжного воздуха (рисунок 3.16).
Расположение датчиков На рисунке 3.17 римскими цифрами помечены отсеки стенда, в которых проводились замеры. Внутри камер и воздуховодов для получения более точных результатов, датчики устанавливались по периметру и в центре. Измерения проводились последовательно три раза во всех пяти точках (рисунок 3.18).
Для измерения параметров воздуха использовался многофункциональный прибор Testo – 480 с зондом IAQ характеристики которого представлены в таблице 3.2. Таблица 3.2 Характеристики IAQ зонда. Параметр Единица измерения Диапазон измерения Температура С -20…+70 Относительная влажность % ОВ 0...100 Для измерения скорости и расхода воздуха использовался зонд-крыльчатка диаметром 100 мм с диапазоном измерений: 0.1 - 15 м/с. а б Рисунок 3.19 – Измерительные приборы: а – IAQ зонд температуры и влажности, б – зонд-крыльчатка диаметром 100 мм. Так как датчики и сама установка обладают тепловой инерционностью, то все измерения проводились после перехода в стационарное состояние. Выход на установившийся режим контролировался по температуре и влажности приточного воздуха на выходе из установки. Типичные процессы выхода на стационарный режим после запуска стенда приведены на рисунках 3.20 и 3.21. Рисунок 3.20 - Выход на стационарный режим температуры приточного воздуха ( = 18%, = 32.3 С) Рисунок 3.21 - Выход на стационарный режим влажности приточного воздуха ( = 18%, = 32.3 С) Исследования проводились для трех перепадов температуры между помещением и улицей при четырех расходах воздуха. Основные параметры воздуха при экспериментальных исследованиях приведены в таблице 3.3. Таблица 3.3 Основные параметры воздуха Эксперимент Перепад T, С ГН,С ГВ,С Расход, м3/с рн, % рв, % 1 32.3 -15 17.3 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 74 18 2 23.1 -3.3 19.8 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 81.7 20.6 3 18.6 4 22.6 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 83.5 20.7 4 18.6 4 22.6 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 83.5 50.4 Постоянный (заданный) расход воздуха поддерживается системой автоматики стенда за счет изменения частоты вращения приточного и вытяжного вентилятора. Перепад статического давления, обеспечивающий расход воздуха через насадку измерялся дифференциальным манометром, встроенным в прибор Testo – 480. Результаты измерений приведены в таблице 3.4.
Оценка влияния формы канала на эффективность теплообмена
Современные методы 3-D печати позволяют изготавливать теплоаккумулирующие насадки с каналами различной формы. Применение таких насадок особенно перспективно в малорасходных переключающихся регенеративных теплообменниках для которых требуются насадки с малыми габаритными размерами и низким аэродинамическим сопротивлением. Так как у переключающихся регенераторов коэффициент аккумуляции и регенерации значительно ниже чем у роторных вследствие большей длительности циклов, то для них даже небольшое увеличение теплообмена имеет существенное значение. Для оценки влияния формы сечения канала на интенсивность теплообмена был проведен комплекс расчётных исследований в пакете STAR-ССМ+. В качестве базового расчетного варианта были приняты геометрические и режимные параметры канала регенеративного теплообменника Flakt - Woods, для которого проводились экспериментальные и расчётные исследования. Исследовались пять форм поперечного сечения канала.
Расчетная модель строилась со следующими характеристиками: - теплоноситель - идеальный газ, сухой воздух; движение газа в канале ламинарное; площадь проходного сечения канала 5 = 2.4 Ю-6 м2; длина канала / = 0.2 м.; температура стенок канала меняется линейно от входа к выходу (от -3.3 С до 19.8 С); температура воздуха на входе в канал -3.3 С; давление на выходе из канала атмосферное; давление на входе в канал в диапазоне 400 - 1000 Па . На рисунке 4.30 показаны сеточные модели каналов. В таблице 4.4 приведены геометрические размеры каналов и параметры их сеточных моделей.
Зависимость теплового потока от перепада давления для различных форм сечения канала. Из графиков видно, что лучший теплообмен обеспечивает канал с круглым сечением. Для оценки влияния геометрии сечения на тепловой поток введем коэффициент геометрии kef = l-qfc, где: qg - разница теплового потока в каналах с произвольной формой сечения (квадрат, трапеция 1, трапеция 2, треугольник) и круглым, qc - максимальная разница теплового поток в канале с круглым сечением и остальными.
Полученные в результате расчетов данные позволили вычислить средние коэффициенты теплоотдачи за время прохождения воздухом канала. Зависимость коэффициентов теплоотдачи от перепада давления показана на рисунке 4.33.
Можно отметить, что коэффициент теплоотдачи для круглого сечения не является максимальным, хотя тепловой поток в таком канале наибольший. Такой эффект связан с тем, что средняя температура воздух в канале с круговым сечением ниже, чем в других каналах. Градиент температуры на стенке становится больше, вследствие чего увеличивается и теплоотдача.
Анализ полученных результатов показывает, что предпочтительными с точки зрения эффективности теплоотдачи являются каналы с наибольшей осевой симметрией сечения. При высоких давлениях и скоростях потока геометрия канала не имеет существенного значения для теплообмена.
Выполненное расчетное исследование позволяет сделать вывод о допустимости использования в инженерных методах расчета эффективности теплообмена эквивалентной геометрии канала.
Результаты экспериментального исследования и расчетов по предлагаемым моделям представлены на рисунках 4.34-4.36. В расчетах по инженерной модели, приведенной в разделе 2.2 были использованы коэффициенты и , полученные по результатам CFD моделирования.
Сопоставление результатов натурного эксперимента и расчетов по рассмотренным моделям показывает: 1. Энтальпийный и термический коэффициенты эффективности, вычисленные по результатам экспериментальных исследований, существенно не отличаются, 2. отклонение значений, полученных методами компьютерного моделирования от результатов натурного эксперимента для энтальпийного коэффициента эффективности не превышает 10 % во всем диапазоне рассмотренных расходов воздуха, 3. отличие между результатами эксперимента и расчета меньше при использовании CFD модели. Средняя погрешность для инженерной модели 9%. Максимальное отклонение от эксперимента не превышает 16%.
Полученные результаты позволяют говорить о возможности применения предложенных моделей и компьютерных программ для оценки эффективности регенеративных теплообменников. С учетом требований к программному обеспечению и мощности компьютерных систем представляется целесообразным использование инженерной модели на этапе проектировочных расчетов, а CFD модель при проведении проверочных расчетов.
Результаты исследований были использованы при разработке компактного малорасходного устройства регенерации тепла, встраиваемого в оконный проём. Разработка заняла призовое место на всероссийском конкурсе на лучший проект в сфере энергосбережения и энергоэффективности среди аспирантов и студентов учреждений высшего образования, проводимом министерством образования и науки Российской Федерации. Прототип устройства демонстрировался в Ленэкспо в рамках недели наукоёмких технологий в Центре импортозамещения и локализации в 2016 году, вид прототипа представлен на рисунке 4.37.