Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы. Постановка задачи исследования 9
1.1. Обзор конструкций утилизаторов теплоты 9
1.2. Особенности вращающихся регенеративных теплоутилизаторов 12
1.3. Тепло и массообмен во вращающихся регенеративных теплоутилизаторах 18
1.4. Существующие методики расчета вращающихся регенеративных теплоутилизаторов 20
1.5. Выводы: цели и задачи исследования 33
Глава 2. Теоретическое исследование 36
2.1. Модель тепловых процессов вращающегося регенеративного теплоутилизатора 36
2.2. Методика определения среднего коэффициента теплоотдачи 40
2.3. Расчет эффективности вращающегося регенеративного теплоутилизатора 41
2.4. Расчет потерь давления во вращающемся регенеративном теплоутилизаторе 44
Глава 3. Экспериментальное исследование противоточиого вращающегося регенеративного теплоутилизатора 53
3.1. Экспериментальное исследование тепловых процессов и гидродинамических характеристик противоточиого вращающегося регенеративного теплоутилизатора 53
3.1.1. Стенд для экспериментального исследования вращающегося регенеративного теплоутилизатора 53
3.1.2. Информационно - измерительный комплекс 63
3.1.3. Расчет погрешности измерений 74
3.2. Результаты экспериментального исследования вращающегося регенеративного теплоутилизатора 80
3.3. Сопоставление результатов расчета и опытных данных 85
Глава 4. Расчетное исследование геометрических параметров насадки вращающегося регенеративного теплоутилизатора 88
4.1. Методика расчета вращающегося регенеративного теплоутилизатора 88
4.2. Исследование влияния геометрических параметров насадки вращающегося регенеративного теплоутилизатора 90
4.2.1. Исследование влияния глубины насадки 91
4.2.2. Исследование влияния высоты канала и толщины фольги 96
4.2.3. Исследование влияния геометрии насадки вращающегося регенеративного теплоутилизатора 101
4.2.4. Исследование влияния материала насадки вращающегося регенеративного теплоутилизатора на термическую эффективность 107
Заключение 111
Литература 113
Приложения 121
- Особенности вращающихся регенеративных теплоутилизаторов
- Расчет эффективности вращающегося регенеративного теплоутилизатора
- Результаты экспериментального исследования вращающегося регенеративного теплоутилизатора
- Исследование влияния геометрических параметров насадки вращающегося регенеративного теплоутилизатора
Введение к работе
Актуальность работы. Регенеративные теплообменники нашли широкое применение в системах жизнеобеспечения, газотурбинных, котельных и других высокотемпературных промышленных установках. Данные теплообменники используются для охлаждения и нагрева газов, увлажнения и осушения газов, утилизации теплоты высокопотенциальных теплоносителей. На сегодняшний день возрастание энергопотребления и повышение цен на энергоносители требует проведения масштабной энергосберегающей политики при создании современных инженерных сооружений - жилых, коммерческих и промышленных объектов в равной степени. При проектировании и создании систем жизнеобеспечения для экономии энергии целесообразно использовать вторичные энергетические ресурсы, такие, к примеру, как теплота удаляемого из помещения воздуха. Использование вращающихся регенеративных теплоутилизаторов (ВРТ) в системах вентиляции и кондиционирования воздуха позволяет возвращать в систему до 85% теплоты при сравнительно невысоких капитальных вложениях. В связи с этим, при совершенствовании таких систем значительное внимание необходимо уделить расчету, оптимизации и повышению эффективности теплообменных аппаратов.
Цель работы и задачи исследования.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности вращающихся регенеративных теплоутилизаторов в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Создание экспериментального стенда для ' исследования тепломассообменных процессов и аэродинамических характеристик вращающегося регенеративного теплоутилизатора.
Проведение экспериментального исследования с целью получения данных позволяющих оценить термическую эффективность и потерю давления вращающегося регенеративного теплоутилизатора, а так же определения значений средних коэффициентов теплоотдачи.
Разработка методик теплового расчета и расчета потери давления вращающегося регенеративного теплоутилизатора. Опытная верификация точности расчетных результатов.
Проведение расчетного исследования, включающее: определение значимости и степени влияния геометрических параметров насадки на термическую эффективность, потерю давления и площадь поверхности теплообмена вращающегося регенеративного теплоутилизатора.
Выдача рекомендаций по конструктивному совершенствованию вращающихся регенеративных теплоутилизаторов.
Научная новизна.
1. Разработана уточненная методика расчета потери давления во вращающемся регенеративном теплоутилизаторе с учетом начального
гидродинамического участка, потери давления на входе в насадку и выходе из насадки.
Получены функциональные зависимости термической эффективности, потери давления и площади поверхности теплообмена от геометрии и габаритов теплообменной насадки, расхода потоков воздуха.
Обоснован выбор эффективных конструктивных решений и режимных параметров вращающихся регенеративных теплоутилизаторов.
Автор защищает.
Уточненные методики теплового расчета и расчета потери давления вращающегося регенеративного тешюутилизатора. Методику определения среднего коэффициента теплоотдачи.
Результаты экспериментального исследования вращающегося регенеративного теплоутилизатора.
Результаты расчетного исследования вращающегося регенеративного теплоутилизатора: функциональные зависимости эффективности, потери давления теплоносителя от геометрии и габаритов теплообменной насадки и расходов теплоносителей; обоснование выбора эффективных конструктивных решений и режимных параметров вращающихся регенеративных теплоутилизаторов.
Практическая ценность.
Разработана методика проведения экспериментального исследования вращающегося регенеративного теплоутилизатора.
Обоснована возможность снижение частоты вращения насадки и, соответственно, энергоемкости вращающегося регенеративного теплоутилизатора.
Разработаны указания по выбору конструктивных параметров насадки вращающихся регенеративных теплоутилизаторов.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на III МНТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, 2007 г.; 34 - ой НІЖ профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета, Санкт-Петербург 2007; 36-й НІЖ профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета, Санкт-Петербург 2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 87 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 18 таблиц. Список литературы включает 84 наименования, из них 75 отечественных и 9 зарубежных авторов. Приложения к диссертации представлены на 12 страницах.
Особенности вращающихся регенеративных теплоутилизаторов
Вращающиеся регенеративные теплоутилизаторы классифицируются в зависимости от структуры насадки, типа насадки, материала насадки и направления движения воздушных потоков.
Теплоаккумулирующая насадка может быть регулярной и нерегулярной структуры. В первом случае воздушные каналы имеют определенную форму, во втором - каналы не обладают какой либо определенной формой, а скорость и направление движения воздуха изменяются в соответствии со случайным расположением теплообменных элементов, образующих насадку. Нерегулярная насадка характеризуется повышенным аэродинамическим сопротивлением, переток воздуха в ней выше.
В современной отечественной и зарубежной литературе [6] по способности насадки переносить теплоту и влагу из одного потока воздуха в другой, где определяющую роль играют материал и поверхность насадки, в основном выделяют три типа ротора вращающегося регенеративного теплоутилизатора: Конденсационный ротор. Насадка состоит из гладких, необработанных металлических лент (в основном алюминиевых), массообмен возможен только в случае конденсации влаги на теплообменной поверхности (или только на некоторой ее части) при температуре поверхности насадки ниже точки росы.
Энтальпийный (гигроскопический) ротор. Металлическая насадка имеет капиллярную структуру поверхности, образованную в результате химической обработки (травления кислотой). Таким образом, в некотором смысле влага переносится в результате адсорбции (так называемого эффекта в ветвообразной пористой системе), т.е. без конденсации. Конденсация возможна при определенных параметрах воздуха. Стоит отметить, что перенос влаги в основном осуществляется за счет конденсации; процесс адсорбции имеет гораздо меньшую интенсивность, вследствие чего перенос влаги в летний период невелик. В результате энтальпийные роторы используются крайне редко, поскольку не отличаются высокой влагопоглощающей способностью ни зимой, ни летом.
Сорбционный ротор. Металлическая насадка (обычно алюминий) покрывается специальным раствором (чаще на основе силиката натрия, соли лития). Раствор включает в свой состав антибактериальные и противогрибковые средства. Насадка переносит влагу за счет чистой сорбции (абсорбции), т.е. без конденсации. Содержание соли в растворе (на поверхности теплообменной насадки) создает более благоприятные условия для работы аппарата при отрицательных температурах наружного воздуха по сравнению с конденсационным и энтальпийным ротором.
Отдельно хотелось бы отметить разработки не широко используемых моделей вращающихся регенеративных теплоутилизаторов ряда отечественных и зарубежных фирм-производителей [6] ВРТ с ротором со специальным эпоксидным покрытием для работы в коррозионных средах [фирмы Klingenburg (Германия), Heatex (Швеция)]; ВРТ с материалом насадки обработанной бактерицидным раствором, что позволяет использовать утилизаторы в лечебных заведениях [фирлш Wing Company]; ВРТ с ротором из алюминия и целлюлозы пропитанной специальным раствором, защищающим ротор от обмерзания и воспламенения [фирма Reco-Rucwarme (Германия)]; ВРТ с ротором, выполненным из специального пластика, выполняющего еще и функцию фильтра (EU3) [фирма BBconsulting].
В качестве материала насадки ВРТ в отечественной литературе [7,20] отмечается возможность использования листов металлической фольги, пластмассовых или металлических сеток и стружки, стекловолокна, полимерных пленок, бумаги и картона, пропитанных водостойкими составами, а в качестве гигроскопических (сорбирующих) материалов могут использоваться бумага, асбестовый картон, пористые мипластовые пластины, тканые и волокнистые материалы, пропитанные различными водопоглащаемыми составами (встречается, раствором солей хлористого лития или хлористого кальция).
Теплообменные насадки современных ВРТ используемых в СКВ и В получают путем наматывания поочередно гладких и гофрированных металлических лент, образуя, таким образом, каналы с сечением в виде треугольника. В качестве материала насадок современных ВРТ используются алюминий, медь, нержавеющая сталь и монель (никелево-медный сплав). ВРТ, используемые в СКВ и В, большинством производителей изготавливаются из алюминиевой фольги. Алюминий обладает высокой прочностью на разрыв, высоким пределом текучести, хорошей технологичностью (способностью подвергаться обработке), высокой коррозионной стойкостью.
Профиль регулярной насадки, образуемой гладкими и гофрированными металлическими листами, характеризуется толщиной листа и высотой канала.
Расчет эффективности вращающегося регенеративного теплоутилизатора
Эффективность теплоутилизатора (характеризует его работу в независимости от особенностей его установки и работы в составе системы в целом) может быть оценена с помощью условного КПД, представляющего собой отношение действительно переданного количества теплоты к максимально возможному в интервале температур t2lu при бесконечно большой поверхности теплообмена.
Понятие эффективность не тождественно понятию КПД, так как последний должен вычисляться при одинаковых значениях водяных эквивалентов. Поэтому вместо термина КПД правильнее было бы использование термина «степень регенерации», определяемой как отношение изменения температуры одной среды между входом и выходом к разности температур обеих сред. В установившемся состоянии степень регенерации теплоты можно рассчитать по уравнениям: для холодного потока
Для большинства устройств, таких как двигатели и генераторы, характеристикой их работы является коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение полученной энергии к затраченной (либо отношение совершенной полезной работы к затраченной энергии (механической, электрической и т.д.).
Применительно к ВРТ более всего понятию КПД соответствует определение его как количества теплоты, переданной в единицу времени к затраченной работе на преодоление гидравлического сопротивления и затратам электроэнергии на вращение насадки.
Но, учитывая то, что в период эксплуатации вследствие колебаний параметров наружного воздуха и возможно нагрузок в помещении, при практически неизменных гидравлическом сопротивлении и потреблении энергии на вращение приведут к тому, что КПД одного и того же утилизатора будет различным.
Вращающиеся регенеративные теплоутилизаторы, как и другие теплоутилизаторы, не производят полезную работу, а используются только для утилизации энергии, поэтому использование термина КПД не считается уместным.
Эффективность процесса теплообмена (характеризует работу теплоутилизатора в составе конкретной системы вентиляции или кондиционирования воздуха) или температурный (термический) коэффициент эффективности определяется как отношение действительного теплового потока Q = WX -{tn n) или Q = W2-{t2X a) к максимально возможному тепловому потоку, определенному на основе второго закона термодинамики Qmax = Wmin -(t2X n) в отсутствии тепловых потерь [70].
Эффективность процессов переноса оценивается одним (или двумя) из трех коэффициентов эффективности, записанные при неравных водяных эквивалентах по холодному и горячему потокам: температурным (термическим) Et
Указанные выше коэффициенты эффективности, являющиеся по своему смыслу параметрическими показателями, определяют отношение рабочего перепада параметра процесса (температура, влажность, энтальпия) к возможному предельному его значению в принятой условной интерпретации сложного тепломассообменного процесса в утилизаторе [7].
Коэффициент эффективности теплообмена не является универсальной теплотехнической характеристикой. Он не позволяют дать полную объективную оценку эффективности теплоутилизатора, и тем более служить сравнительной характеристикой различных типов утилизаторов, так как в нем не учтены аэродинамические потери, затраты электроэнергии на вращение насадки и другие параметры.
Эффективность теплоутилизатора в системе кондиционирования и вентиляции воздуха так же зависит от временных (сменных, среднесуточных, сезонных, годовых, за весь период эксплуатации системы) параметров окружающей среды, а так же изменения тепловлажностных нагрузок в самом помещении, что и составляет основную сложность при определении эффективности.
Перепад давления в противоточном вращающемся регенеративном теплоутилизаторе может быть представлен как сумма падений давления на отдельных участках. Для горячего и холодного потоков воздуха полное падение давления в секции регенератора составляет: где АРтііЖ - местные потери давления на сужении на входе в насадку, &Р„Ж. - потеря давления на трение в насадке, АРвн - местные потери давления при расширении на выходе из насадки. Рабочая частота вращения насадки регенеративного теплоутилизатора составляет п = 10-15 об/мин, что соответствует средней окружной скорости и 0,02 -0,1 м/с, для сравнения средняя скорость течения воздуха в живом сечении насадки составляет 1 - 5 м/с. Исследованиями [61] установлено, что вращение не оказывает влияния на потери давления в насадке регенеративного теплоутилизатора, что позволяет в дальнейшем не учитывать данный фактор. Числа Рейнольдса, соответствующие максимальному расходу теплоносителя через насадку: Remm«150, Remax«1000, что меньше Re = 2200, отвечающее переходному режиму. Таким образом, характер течения теплоносителей в каналах в силу малых гидравлических диаметров является ламинарным. Потеря напора на входе определяется изменением давления, обусловленным уменьшением свободного сечения и потерей напора, связанной с необратимым расширением, происходящим непосредственно после внезапного сужения и связанным с отрывом пограничного слоя [36]. Коэффициент местного сопротивления, характеризующий падение давления на входе в насадку может быть определен по формуле [20] где Рфр - площадь фронтального сечения насадки, К1а - коэффициент, учитывающий потери давления на входе в насадку. Коэффициент K(SX зависит от формы каналов, относительного живого сечения и режима течения потока воздуха. Необходимая составляющая потери напора, связанная со внезапным сужением потока, включена в коэффициент KISX. Для определения значений коэффициента Ккх при расчете падения давления в насадке были использованы номограммы, представленные в [20,36].
Результаты экспериментального исследования вращающегося регенеративного теплоутилизатора
Получены экспериментальные данные позволяющие оценить термическую эффективность исследуемого вращающегося регенеративного теплоутлизатора XPXR 04. Результаты эксперимента представлены в прил. 6 (табл. П. 1 -П.З). Эффективность насадки ВРТ зависит от водяных эквивалентов холодного Wx и горячего W2 потоков воздуха выраженных через отношение WjW2, числа единиц переноса NTU, частоты вращения насадки. Данные экспериментов представлялись в виде зависимости термической эффективность Е от п, Wx (W2 Значение термической эффективности определялось по следующей формуле Экспериментально было установлено влияние частоты вращения насадки на термическую эффективность исследуемого вращающегося регенеративного теплоутилизатора. При увеличении частоты вращения насадки термическая эффективность ВРТ асимптотически растет и при достижении некоторого значения эффективность практически не изменяется. Следует отметить то, что увеличение частоты вращение приводит к увеличению перетока воздуха, что отрицательно влияет на термическую эффективность теплоутилизатора, приводит к износу трущихся частей, увеличению потребления двигателем электрической мощности. На рис. 3.12 представлены зависимости тепловой эффективности исследуемого ВРТ от частоты вращения насадки при различных расходах воздуха, выраженных через Wx и W2. Из анализа полученных данных видно, что оптимальной можно считать частоту вращения насадки в пределах от 9 до 13 об/мин. На рис. 3.13. представлена зависимость термической эффективности ВРТ от отношения расходов воздушных потоков, выраженных через отношение Wx /W2. Точками показаны экспериментальные данные, линией аппроксимирующая кривая. С увеличением WjW2, термическая эффективность ВРТ снижается.
Для определения средних коэффициентов явной теплоотдачи от потока горячего воздуха к насадке был проведен эксперимент. Средние температуры воздушных потоков на входе в насадку поддерживались постоянными по времени. Средние температуры воздушных потоков на выходе из насадки определялись после выхода установки на установившейся режим работы. Расход холодного потока воздуха поддерживался постоянным, а значения расходов горячего потока воздуха изменялись в пределах от 1400 м3/ч до 2600 м3/ч. Частота вращения насадки п=13 об/мин. К обработке принимались опытные данные, для которых разница тепловых балансов не превышала 10%. За расчетное количество теплоты принималось среднеарифметическое значение. Расхождение между усредненным количеством теплоты и рассчитанным по горячему и холодному потоку воздуха составляло ± 5%.
Оценка изменения влагосодержания воздушных потоков в ВРТ позволила установить, что процесс теплообмена протекал без конденсации влажного воздуха на поверхности насадки.
Результаты исследования по определению коэффициентов теплоотдачи позволили получить значения чисел Нуссельта при различных числах Рейнольдса (прил. 6 табл. П.4). Результаты обработки опытных данных представлены в логарифмических координатах на рис. 3.14.
Теплоотдача исследуемой насадки в пределах 200 Re 400 аппроксимирована степенной функцией Среднее квадратическое отклонение точек не превышает 0,104. Результаты значений критерия Nu были сопоставлены с данными различных авторов, представленных в [20], что показало, что значения количественно близки между собой.
При расчете и проектировании вращающегося регенеративного теплоутилизатора систем вентиляции и кондиционирования характеристики падения давления приобретают не менее важное значение, чем ее теплопередающие характеристики.
Для определения перепада давления вращающихся регенеративных теплоутилизаторов XPXR 04 был поставлен эксперимент, результаты представлены в прил. 6 (табл. П.5). Замеры статического давления проводились до и после насадки (по ходу движения воздуха) в диапазоне расходов воздуха от 950 ти /ч до 2700 м /ч при частоте вращения насадки п=13 об/мин. Результаты экспериментального исследования были обобщены в виде зависимости критерия Эйлера от критерия Рейнольдса Ей = /(Re) где АР - перепад давления потока воздуха, U - средняя скорость потока воздуха в канале, р - плотность воздуха. Результаты обработки опытных данных представлены в логарифмических координатах на рис. 3.15.
Исследование влияния геометрических параметров насадки вращающегося регенеративного теплоутилизатора
Увеличение глубины (по ходу движения воздуха) теплообменной насадки вращающегося регенеративного теплоутилизатора приводит, во-первых, к увеличению термической эффективности, во-вторых, к увеличению потерь давления, в-третьих, к увеличению площади теплообменной поверхности и массы насадки, что как следствие ведет к увеличению габаритных размеров секции теплоутилизатора. Ниже представлены результаты расчетов для исследуемого регенеративного теплоутилизатора XPXR 04 при изменении глубины насадки в диапазоне / = 0,1 ...0,5 м. Исходные данные: 1. Температура приточного воздуха t/j = 5 С. 2. Температура удаляемого воздуха t2\ = 22 С. 3. Расход потоков приточного воздуха в пределах Vt = 1500 - 2700 м /ч, расход удаляемого воздуха в пределах Vi = 1500 - 2700 м /ч. 4. Частота вращения насадки п — 13 об/мин. 5. Геометрические параметры профиля и диаметр теплообменной насадки равны номинальным значениям (таблица 3.1). На рис. 4.1 - 4.4 представлены зависимости термической эффективности, потерь давления от глубины насадки. Как видно, зависимости критериев от глубины насадки носят монотонный характер без экстремумов. Увеличение / приводит с росту всех показателей. Зависимости термической эффективности от / и F(l) представлены на рис. 4.1 - 4.2. Рост термической эффективности (при увеличении /) происходит только за счет увеличения площади теплообменной поверхности F, так как значения средних коэффициентов теплоотдачи остаются постоянными (скорость воздуха и эквивалентный диаметр канала не меняются). Наиболее интенсивный рост эффективности наблюдается в области малых глубин насадки (/ = 0,1...0,25) и далее темпы роста эффективности снижаются (что в основном приводит только к увеличению массы насадки и габаритов теплоутилизатора). Зависимость Е от F(l) является экспоненциальной, что и объясняет интенсивный рост термической эффективности на участке / = 0,1 ...0,25. Изменение расхода воздуха приводит к изменению термической эффективности (рис. 4.2), но оно не значительно и составляет лишь несколько процентов. Таким образом, степень утилизации теплоты в ВРТ в большей степени определяется площадью теплообменной поверхности F(l) и в меньшей - расходом теплоносителей.
Зависимости потери давления воздуха в насадке от / и F(l) представлены на рис. 4.3 и 4.4. Рост потери давления (при увеличении /) происходит вследствие увеличения потери давления на трении в канале насадки согласно (2.19), потери давления на входе и выходе из насадки остаются неизменными (так как относительное живое сечение насадки не меняется). Как видно из рис. 4.3 потеря давления существенно зависит от расходов воздушных потоков на всем диапазоне /. Как уже отмечалось ранее, одним из конструктивных недостатков вращающихся регенеративных теплоутилизаторов является перетекание удаляемого воздуха в поток приточного воздуха. Именно переток воздуха ограничивает возможности применения ВРТ, поэтому оценка величины перетока воздуха при данном исследовании является необходимой. Стоит сказать, что изменение глубины насадки, главным образом будет приводить к изменению одной из составляющих общего перетока воздуха - перетока за счет вращения насадки. На рис. 4.5 представлена зависимость величины перетока воздуха за счет вращения насадки в диапазоне / = 0,1...0,5 м.
Из графиков видно, что увеличение глубины насадки приводит к увеличению относительной величины перетока воздуха. Однако, с увеличением расхода воздуха (при / = const) относительная величина перетока падает. Это объясняется тем, что абсолютное значение перетока воздуха (согласно (4.12)) остается неизменным, а значение объемного расхода воздуха - увеличивается. Глубина и диаметр насадки определяют габариты каркаса теплоутилизатора, а именно ширину и толщину каркаса. Конструктивно приточно-вытяжная установка ХР04 состоит из самостоятельных секций, скрепляемых между собой и устанавливаемых на опорные рамы. Секции вентиляторов (приточного и вытяжного трактов) располагаются одна над другой и имеют присоединительные размеры с отношением высота/ширина равным примерно /. Присоединительные размеры секции регенератора имеют такое же соотношение, а часть фронтальной поверхности насадки вследствие этого частично закрыта рамной конструкцией (рис. 3.3), что уменьшает площадь поверхности насадки, участвующей в теплообмене и не позволяет эффективно ее омывать воздушным потокам. Следовательно, в качестве конструктивной меры можно рекомендовать изменить отношение высота/ширина секции вентиляторов в сторону уменьшения, что позволит увеличить долю фронтальной поверхности насадки (участвующей в процессе теплообмена) и создать лучшие условия для обдува насадки, что в свою очередь повысит степень утилизации теплоты.
