Содержание к диссертации
Введение
1. Вентиляционные установки для утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных помещений 6
1.1. Теплообменники с неметаллическими поверхностями теплообмена 13
Выводы по 1 главе 27
2. Теоретические исследования пластинчатых теплообменников на базе полимеров 28
2.1. Составление теплового баланса пластинчатых теплообменников на базе полимеров 29
2.2. Составление теплового баланса пластинчатых теплообменников на
базе полимеров с конденсацией влаги на теплообменных поверхностях 36
2.3. Теплотехнические и прочностные характеристики полимеров для перекрестноточных теплообменников, работающих в агрессивных средах 42
2.4. Методика теплотехнических исследований установки утилизатора сбросного тепла животноводческих помещений 47
2.5. Исследования аэродинамических и температурных характеристик полимерного теплообменника при различных конструкциях входного канала 51
Выводы по 2-ой главе 72
3. Исследование перекрестноточных рекуперативных полимерных теплообменников при отрицательных температурах 74
3.1. Исследования конденсатообразования и тепло-массообмена в полимерном перекрестноточном теплообменнике (tCT
3.2. Обмерзание рабочих поверхностей теплообменника (tCT< tj) 79
3.3. Установка утилизации тепла с автономным зональным нагревателем 87
3.3.1. Определение мощности электрического автономного зонального нагревателя 95
3.3.2. Расчет газового рекуперативного теплообменника-догревателя приточного воздуха 99
Выводы по 3 главе 103
4. Исследование промышленной установки с утилизацией сбросного тепла на базе полимерного теплообменника в натурных условиях 105
4.1. Тепловой баланс теплоутилизационной установки в реальных условиях 109
4.2. Эксплуатационные испытания теплоутилизационной установки 112
Выводы по 4 главе 116
5. Технико-экономическое обоснование применения вентиляционной установки с полимерным теплообменником 117
Выводы по 5 главе 119
Общие выводы 120
Список литературы 122
- Теплообменники с неметаллическими поверхностями теплообмена
- Составление теплового баланса пластинчатых теплообменников на базе полимеров
- Исследования конденсатообразования и тепло-массообмена в полимерном перекрестноточном теплообменнике (tCT
t3) - Тепловой баланс теплоутилизационной установки в реальных условиях
Введение к работе
Разработка тепловентиляционных установок с утилизацией сбросного тепла животноводческих помещений при условии низких наружных температур требует специального блочно-модульного оборудования. Такие установки в системах микроклимата подогревают чистый приточный воздух до нормируемых температур и удаляют из животноводческого помещения загрязненный воздух.
Доля затрат на создание оптимального микроклимата в животноводческих помещениях составляет 40-80 % от общих затрат энергии при централизованной системе теплоснабжения с помощью вторичного теплоносителя - воды. Суммарные тепловые потери в центральной котельной и на теплотрассах достигают 40 % от исходной энергии сгораемого газа. При этом для уменьшения непроизводственных теплопотерь животноводческие объекты переводят на децентрализованные системы теплоснабжения и микроклимата.
Использование в децентрализованных системах тепловентиляционных установок с утилизацией сбросного тепла увеличивает экономию тепла до 40-60 %.
1. Вентиляционные установки для утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных помещений
Децентрализованные системы ИК-обогрева и микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений были разработаны Бородиным И.Ф., Дубровиным А.В., Лебедевым Д.П., Лямцовым А.К., Расстригиным В.Н., Тихомировым Д.А.
Животноводство является одним из основных потребителей в сельском хозяйстве. Фермы для содержания крупного рогатого скота являются основными потребителями энергии в животноводстве, а на их долю приходится 51,5% от общего электропотребления в отрасли.
Для удаления вредностей, образующихся в животноводческих помещениях, на вентиляцию расходуется около 2 млрд. кВт-ч электроэнергии
в год, на обогрев помещений идет 1,8 млрд. кВт-ч, 0,6 млн. м природного газа, 1,3 млн. т. жидкого и 1,7 млн. т. твердого топлива. Ежегодно из помещений животноводческих ферм отрасли требуется удалить 166 млрд. м водяных паров, 39 млрд. м3 углекислого газа, 1,8 млрд. м3 аммиака, 700 м3 сероводорода, 82 тыс. т. пыли и патогенной микрофлоры [88].
Актуальность темы подтверждается тем, что она выполнялась в
соответствии с тематическим планом НИР ВИЭСХ в рамках
фундаментальных и приоритетных прикладных исследований
Россельхозакадемии на 2000^-2006 г, 2006-К2010 г. по разделу 99 механизация
и автоматизация «Разработать высокоэффективные машинные технологии
нового поколения для производства конкурентоспособной
сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения технического сервиса сельского хозяйства».
Распоряжением Правительства России на период до 2020 г. № 1234-р опубликовано «Об утверждении Энергетической стратегии России на период до 2020 года». В данном документе конкретизируются цели, задачи и основные направления долгосрочной энергетической политики.
В 2009 г. ВИЭСХ разработана энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года, где указывается, что в птицеводстве и животноводстве использование комбинированных технологий создания микроклимата (общего и локального) с применением газовых инфракрасных нагревателей и утилизации тепла позволяет снизить энергозатраты до 50%.
В соответствии с законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» одним из перспективных направлений сокращения общих затрат энергии в животноводстве является применение в системах вентиляции теплоутилизационных установок.
Одним из основных направлений сокращения общих затрат энергии в животноводстве является разработка и внедрение энергосберегающего оборудования для создания и поддержания нормативного микроклимата, удаления аммиака, углекислого газа, пыли и патогенной микрофлоры.
Одно из важных направлений экономии энергоресурсов в животноводстве - утилизация тепла, содержащегося в воздухе животноводческих помещений.
Тепловыделения животных составляют около 4,3 млн. т. у. т. в год, причем 0,3 млн. т. образуется летом и должно быть удалено посредством вентиляции, а теплота, эквивалентная 4 млн. т. у. т. получается в холодный и переходный периоды года и может быть использована на обогрев помещений.
Степень покрытия дефицита мощности на обогрев животноводческих помещений с помощью теплоутилизации зависит от их назначения и климатических условий. В северных районах нашей страны для коровников этот дефицит может быть покрыт на 40-50%, т.е. использование теплоутилизаторов представляет собой значительный источник сокращения затрат электроэнергии на теплоснабжение животноводческих помещений [88].
Таким образом, исследования и разработка теплоутилизационного оборудования для обогрева животноводческих помещений при поддержании нормируемых параметров микроклимата и удаление аммиака в условиях
низкотемпературных климатических зон является актуальной современной задачей.
В данной главе рассматриваются только установки, использующие для теплообмена между вытяжным и приточным воздухом неметаллические и полимерные материалы.
В начале обзорной главы рассматриваются типы установок с утилизацией тепла.
Международная фирма Frivent (Фривент) классифицировала установки с утилизацией тепла для вентиляции и кондиционирования производственных и административных помещений.
Установки для теплоутилизации сбросного тепла включают четыре системы.
Система теплоутилизатора Фривент, рис. 1.1. Теплоутилизатор Фривент является теплообменником воздух-воздух, устанавливаемым в системах вентиляции и кондиционирования.
В_ А С_
Рис. 1.1. Схема вентиляционной установки с теплоутилизатором Frivent. А - теплообменник-теплоутилизатор, В - воздушный фильтр, С - догреватель
Утилизация тепла происходит с помощью регенеративного теплообменника. В спиральном корпусе с двумя всасывающими и двумя выпускными отверстиями и рабочим колесом из пористого материала одновременно производится перемещение наружного и вытяжного воздуха и обмен тепла. Рабочее колесо вентилятора служит при этом для передачи тепла.
Фривент дает возможность одновременно перемещать вытяжной и приточный воздух и утилизировать тепло одним вентилятором при низких расходах энергии (не требуется дополнительных вентиляторов и агрегатов).
Возможность замерзания вентилятора-теплоутилизатора в системе исключена. Энтальпийный КПД установки составляет 44 %. На рис. 1.2 представлен процесс утилизации тепла для схемы рис. 1.1 в соответствии с характерными начальными параметрами приточного и вытяжного воздуха.
40%
Рис. 1.2. Процесс утилизации тепла в I-d диаграмме для теплообменника-утилизатора Фривент
Помещение Система II
В F А
rh0-
Е AG
Рис. 1.3. Схема вентиляционной установки с роторным теплообменником. А - теплообменник-теплоутилизатор, В - воздушный фильтр, С - догреватель, D - приточный вентилятор, Е - вытяжной вентилятор, F - предварительный нагреватель, G - фильтр вытяжного воздуха
Работа роторного теплообменника, рис. 1.3 подробно рассмотрена в [5,
7]-
На рис. 1.4 представлена схема теплоутилизационной установки с перекрестноточным теплообменником.
№шт
Рис. 1.4 Схема вентиляционной установки с рекуперационным пластинчатым теплообменником перекрестного хода. А - теплообменник-теплоутилизатор, В — воздушный фильтр, С - догреватель, D - приточный вентилятор, Е - вытяжной вентилятор, F - предварительный нагреватель,
G - фильтр вытяжного воздуха
На рис. 1.5 показана вентиляционная установка с промежуточным теплоносителем.
В А С D
Помещение
Система !V
Рис. 1.5. Схема вентиляционной установки с промежуточным теплоносителем. А - теплообменник-теплоутилизатор, В - воздушный фильтр, С - догреватель, D - приточный вентилятор, Е - вытяжной
вентилятор, F — насос промежуточного теплоносителя, G — фильтр вытяжного воздуха
На рис. 1.6 показан процесс утилизации тепла в I-d диаграмме для роторного теплообменника.
Рис. 1.6. Процесс утилизации тепла в I-d диаграмме для роторного
теплообменника
На рис. 1.7 представлен процесс утилизации тепла для систем рис. 1.4 и рис. 1.5.
Рис. 1.7. Процесс утилизации тепла в I-d диаграмме для системы с пластинчатым теплообменником (рис. 1.3) и системы с промежуточным
теплоносителем (рис. 1.4)
Для процессов, представленных на I-d диаграммах приняты данные, характерные для систем вентиляции и кондиционирования производственных помещений:
Наружный воздух ti =-10 С, фі = 90 %, di = 1,4 г/кг, її = 6,25 кДж/кг
Приточный воздух после теплоутилизации
Воздух в помещении t3 = +20 С, <р3 = 40 %, d3 = 5,3 г/кг, I3 = 34,16 кДж/кг
Удаляемый охлажденный воздух Изменение энтальпии в различных системах:
А1макс = 40,83 кДж/кг
Система рис. 1.1 AI = 12,5 + 6,25 = 18,75 кДж/кг
Система рис. 1.3 AI = 26,66 + 6,25 = 32,91 кДж/кг
Системы рис. 1.4, рис. 1.5 AI = 11,66 + 6,25 = 17,91 кДж/кг КПД энтальпии Пд = АІ/АІмакс:
Система рис. 1.1 тії - 18,75/40,83 = 0,46
Система рис. 1.3 гц = 32,91/40,83 = 0,80
Системы рис. 1.4, рис. 1.5 гц = 17,91/40,83 = 0,44
Анализ систем утилизации показывает, что они должны отличаться от
систем утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных
(животноводческих и птицеводческих) помещений. Это прежде всего связано с большой влажностью, повышенным содержанием NH3, СО, H2S и др., а также микрофлорой в воздухе помещения.
С учетом этих особенностей могут быть использованы системы рис. 1.3 и рис. 1.4 при разработке конструкций теплообменных аппаратов, соответствующих условиям сельскохозяйственного помещения и работе при низких температурах в холодных климатических зонах России.
Система рис. 1.5 может быть реализована с помощью тепловых труб, являющихся достаточно сложными и дорогостоящими теплообменными устройствами [6, 12, 13, 14].
Теплообменники с неметаллическими поверхностями теплообмена
Вентиляционная установка для утилизации сбросного тепла должна отвечать следующим требованиям [15, 18, 188, 199, приложение 7]: - необходимой тепловой эффективностью в течение всего срока службы при малом аэродинамическом сопротивлении; - устойчивостью против коррозии при работе в агрессивной воздушной среде; - герметичностью, которая не допускает перенос пыли, газов и бактерий в поток приточного воздуха; - эксплуатации при пониженных температурах приточного воздуха; - долговечностью и высокой надежностью; - технологичностью изготовления в массовом производстве; - малой металлоемкостью.
Конструкция установки должна быть доступна для осмотра и обслуживания, ремонта, очистки от пыли, отведения конденсата и удаления инея. В холодный период года на выходе нагреваемого приточного и удаляемого вытяжного воздуха должно создаваться равномерное температурное поле, способствующее малому вьшадению инея. Базовым элементом теплоутилизационной установки является теплообменник-утилизатор.
Традиционные воздухо-воздушные теплообменники-рекуператоры из металлических сплавов отличают: большая металлоемкость, подверженность активной коррозии и загрязнению поверхностей теплообмена при работе в агрессивных средах производственных и технологических помещений, большие весовые характеристики (вес до 720 кг при воздухопроизводительности 5200 м /ч).
Для выполнения требований, предъявляемых к теплоутилизационным установкам, значительный практический интерес приобретает использование теплообменных поверхностей аппаратов из химически стойких материалов -неметаллов: стекла [91, 99], графита [2], полимера [100, 113, 158]. Наибольшее распространение получили пластинчатые перекрестноточные теплообменники. Рекуперативный воздухо-воздушный теплообменник имеет насадку, состоящую из щелевых и сотовых каналов, образованных смежными тонкими листами алюминия, стекла, полимерных или других материалов.
Фирмой «Rosenberg» изготавливаются стандартные пластинчатые рекуператоры из полимернозащищенных от коррозии алюминиевых пластин толщиной 0,2 мм. Такая толщина пластин гарантирует их устойчивость к газам и влаге, содержащимся в окружающей среде. По требованию заказчика пластины рекуператора могут быть покрыты эпоксидной смолой или изготовлены из нержавеющей стали. Пластинчатые теплообменники собирают из гладких пластин или между гладкими пластинами устанавливаются волнистые пластины. Пластинчатый рекуператор компактный теплообменник, в котором вытяжной и приточный воздух проходит по системе контактирующих каналов, образуемых алюминиевыми пластинами; воздушные потоки двигаются по перекрестно-точной схеме и полностью разделены.
Горизонтальная установка рекомендуется только при боковой длине до 1500 мм. При больших размерах выведение конденсата не гарантируется. Необходимо иметь ввиду, что горизонтальные модели в прямоугольном исполнении отличаются от таких же моделей в вертикальном исполнении.
В работе проанализировано использование перекрестноточных полимерных теплообменников для переноса тепла от горячего вытяжного воздуха к холодному приточному воздуху. По эффективности теплообмена перекрестноточный теплообменник является промежуточным теплообменным аппаратом между противоточными и прямоточными движениями потоков воздуха. Не смотря на большую тепловую эффективность теплообменников с противоточным движением воздуха [177] в них достаточно сложно организовать процесс оттаивания (прогрева) «холодной области» при возможном замерзании в ней конденсированной влаги при низких температурах и обеспечении в случае размораживания конденсата его стока (вывода) из теплообменника.
Перепад давлений между приточным и удаляемым воздухом в конструктивных моделях типа 200, 300 и 500 не превышает максимально допустимого значения 1250 Па; для остальных моделей максимальный перепад давлений составляет 1600 Па (переток воздуха при указанных перепадах давления составляет 1%). Теплообменники могут работать с более высокими перепадами давления, однако, в этом случае увеличиваются потери давления потока с меньшим давлением: при перепаде давления 1750 Па - на 15 - 40%; при перепаде давления 2000 Па - на 25 - 60%. Следует учитывать, что максимальная разность давлений должна уменьшаться при увеличении температуры, а при температуре выше 150 С не должно быть перепада давлений между приточным и вытяжным воздухом. Если температура поступающего приточного воздуха ниже -10 С, а вытяжного - ниже +20 С, то рекуператор должен быть защищен от обмерзания. Для этого либо осуществляется предварительный нагрев приточного воздуха, либо часть воздуха направляется в обход рекуператора.
В случае необходимости в рекуператорах применяется защита от обмерзания с помощью обводного воздушного канала с регулирующим клапаном, который пропускает часть наружного воздуха мимо утилизатора, показанного на рис. 1.15. Воздушный клапан управляется датчиком перепада давления воздуха на утилизаторе.
Фирма «Rosenberg» не располагает сведениями по эксплуатации данных аппаратов в помещениях с высокой влагой и содержанием аммиака. ЦНИИпромзданий для агрессивных сред разработал пластинчатый стеклянный теплообменник [13].
В Рижском политехническом институте разработана вентиляционная установка с теплообменником из полимерной пленки толщиной 0,2 мм [13].
Челябинским политехническим институтом разработан рекуперативный теплообменник из гибкой полимерной пленки. Армирующие пленку струны упорядочивают ее вибрацию и соответствующую интенсификацию процесса теплоотдачи [13].
Составление теплового баланса пластинчатых теплообменников на базе полимеров
Установка, рис. 2.4 состоит из рекуператора 1, собранного из панелей сотового полимера, в котором два потока воздуха - удаляемый и приточный, полностью разделены и не контактируют друг с другом. Наружный воздух, нагнетаемый приточным вентилятором 3, проходя установленную термопару 4 на входе в рекуператор, по которой определяется его температура, фиксируемая с помощью регистратора температур 9, попадает в рекуператор 1, где нагревается от удаляемого воздуха, проходящего за разделяющей полимерной стенкой. Термопарой 6 регистрируется температура приточного уже нагретого воздуха на выходе из установки. Далее подогретый в теплообменнике воздух попадает в догреватель воздуха до нормируемых значений. Догрев воздуха после теплообменника необходим при работе установки при низких отрицательных температурах наружного воздуха ( -10 С).
Вытяжной воздух, удаляемый из помещения с помощью вентилятора 2 проходит термопару 5, измерение на которой фиксируется на регистраторе температуры 9. Далее теплый вытяжной воздух, проходя через щелевые каналы рекуператора, отдает теплоту через воздухонепроницаемую стенку приточному воздуху. Температура на выходе вытяжного воздуха измеряется с помощью термопары 7. Отработанный вытяжной воздух удаляется из помещения.
Приточный и вытяжной вентиляторы включаются посредством тумблеров, установленных на пульте управления 12.
При больших разницах температур приточного и вытяжного воздуха и при необходимости исследования процесса конденсации на выходе удаляемого воздуха устанавливается сборник конденсата 10 и психрометр 11.
Для исследования теплообмена в пластинчатый рекуператор [27, 119] устанавливались 12 медь-константановых термопар диаметром 0,15 мм. Метрологическая аттестация термопар проводилась в диапазоне -20 - - +40 С, с точностью ± 0,15 С с помощью прибора фирмы «ОВЕН» с аттестованной хромель-алюмелевой термопарой и ртутным термометром с ценой деления ОД С. На рис.2.7 и рис.2.8 показаны места установки термопар в сегменте и пластинчатом элементе рекуператора.
Для различных условий эксплуатации и компоновки перекрестно-точного теплообменника в системах микроклимата в животноводческих помещений, а так же определения возможного месторасположения зоны пониженных температур — «холодного угла» было целесообразно исследовать путем включения: - входного воздушного канала под углом и установкой осевых вентиляторов (при максимальном и минимальном расходах воздуха); - входного воздушного канала под углом, установкой выравнивающих сеток и осевых вентиляторов (при максимальном и минимальном расходах воздуха); - входного воздушного канала перпендикулярно входному сечению и установкой осевых вентиляторов (при максимальном и минимальном расходах воздуха); - входного воздушного канала перпендикулярно входному сечению, установкой выравнивающих сеток и осевых вентиляторов (при максимальном и минимальном расходах воздуха);
Согласно [192] для измерений скоростей движения воздуха в каналах были выбраны участки с расположением мерных сечений в местах внезапного расширения потока, т.е. непосредственно на выходе потоков воздуха из рекуператора.
Координаты точек измерения скоростей на выходе из рекуператора согласно [192] п. 1.3 см. рис. 2.10.
При 100 мм Ь 200 мм Рис. 2.10. Координаты точек измерения скоростей на выходе из рекуператора
Размеры мерного сечения для лабораторного образца приточно-вытяжной установки с рекуперативным пластинчатым теплообменником из полимера составляют а = 247 мм, b = 122 мм.
Рассмотрим различные способы подключения вентиляторов и установку выравнивающей воздушные потоки сетки.
Исследования конденсатообразования и тепло-массообмена в полимерном перекрестноточном теплообменнике (tCTt3)
Изучение механизма конденсатообразования является важной практической задачей для непрерывной работы перекрестноточного теплообменника из полимера [81-87].
Методом покоящейся капли с помощью фотографических исследований было проведено изучение смачиваемости полимерной поверхности теплообмена.
На рис. За показана капля конденсата на поверхности полимера. Из рис. За видно, что угол v составляет 55. Исходя из [198], если краевой угол v острый, т.е. v 90, что соответствует рис. За, имеет место частичное смачивание полимерной поверхности. Визуальные наблюдения механизма конденсации на полимерной поверхности теплообменника позволили установить возможность протекания процесса по двум направлениям. В первом случае происходит капельно-пленочная конденсация, рис.Зб. Отдельно сконцентрированные капли (т = ті) при т ті увеличиваются в размере вдоль поверхности и сливаются в пленку (т = тз), от которой в дальнейшем отделяются единичные капли (т = тД Такая конденсация происходит на поверхности, где имеют место локальные градиенты температуры вдоль поверхности. Во втором случае, рост капель на поверхности происходит путем увеличения их в объеме (т = хг) и дальнейший отрыв капель (т = тз). В этом случае капельная конденсация протекает на поверхности равномерно охлажденной.
Полученные соотношения позволяют оценить направление и тип конденсации (рис. 36, рис. Зв). Если FK FT, т.е. поверхность конденсации больше поверхности теплообмена, то процесс имеет механизм капельно-пленочной конденсации.
При этом необходимо отметить, что первоначально образование капель конденсата наиболее активно происходит в зоне «холодного угла» теплообменника, при температуре поверхности теплообмена t ts температуры насыщения при определенных значениях влагодержания d do. При этом рост капель, их отрыв, объединение друг с другом и течение вниз теплообменника под действием сил гравитации тонкими струйками, как правило, происходит из верхнего «холодного угла» аппарата. Как правило, места образования первых капель конденсата имеют наибольшую вероятность к обмерзанию.
Охлаждение влажного воздуха в рекуперативном перектестноточном теплообменнике потоков воздуха при низкой температуре tcx tg приводит к конденсации влаги и ее замораживанию [1, 3, 26, 28].
Обмерзание рабочих поверхностей перекрестноточного полимерного теплообменника зависит от условий аэродинамики и тепломассообмена в потоке вытяжного воздуха у охлажденной поверхности, физико-химического состава влажного воздуха в животноводческом помещении, а так же связано с расположением «холодного угла» в теплообменнике, равномерности движения локальных воздушных тепловых потоков и направления сил гравитации в аппарате.
Температурные поля, формируемые на рабочих поверхностях пластинчатых полимерных теплообменников регистрировать инструментальными методами весьма сложно. Экспериментально и теоретически [28] показано наличие так называемого «холодного угла», где удаляемый воздух охлаждается приточным воздухом наиболее интенсивно. Обмерзание «холодного угла» будет происходить также в следующих случаях: 1. Когда влагосодержание удаляемого воздуха превышает 3,8 г/кг; 2. Интенсивность замораживания увеличивается с ростом сухой эффективности рекуперации; 3. По мере увеличения температуры вытяжного воздуха опасность обледенения снижается; 4. С увеличением массового отношения воздушных потоков на притоке и вытяжке опасность обледенения возрастает (больше количество холодного воздуха более интенсивно охлаждает небольшое количество удаляемого воздуха). Теоретический анализ и практический опыт показывают, что условия обмерзания теплообменников определяются следующими факторами: динамической характеристикой и типом вытяжного вентилятора, направленностью воздушных потоков (нормально или под углом к плоскости входного сечения), использованием специальных выравнивающих потоки сеток в вытяжном и приточном канале. Указанные факторы являются независимыми.
Следует иметь в виду, что образуемый конденсат содержит большое количество энергии. В случае образования большого количества конденсата при его стекании вниз вместе с ним переносится тепло достаточное для подогрева части пластин, предотвращая или снижая их обледенение.
Практический опыт эксплуатации показывают, что работа пластинчатых теплообменников в условиях обмерзания определяется следующими факторами: аэродинамической характеристикой вытяжного вентилятора; положением теплообменника и направленностью воздушных потоков; конструктивным исполнением теплообменника.
При частичном обледенении пластинчатого теплообменника открытого типа происходит следующее (рис. 3.3). Образуемый в «холодном углу» лед сужает проходное сечение на выходе удаляемого воздуха, что приводит к дополнительным потерям статического напора на стороне вытяжки. Если вытяжной вентилятор имеет пологую характеристику, например, в случае использования крыльчатки (импеллера) с лопатками, загнутыми вперед, то при обмерзании происходит снижение расхода воздуха на вытяжке, в результате чего изменяется массовое отношение воздушных потоков на притоке и вытяжке, что в свою очередь способствует более интенсивному обмерзанию.
Тепловой баланс теплоутилизационной установки в реальных условиях
Известна вентиляционная система, в которой контакт между свежим холодным воздухом, его подогрев и отработанным теплым воздухом осуществляется в перекрестноточном теплообменнике [120]. Для животноводческих помещений, где отработанный воздух значительно загазован и имеет высокую влажность, является источником сильного конденсатообразования на рабочих поверхностях теплообменника при снижении их температур ниже точки росы, а при температурах ниже -5С происходит значительное льдообразование. Такие условия эксплуатации вентиляционных систем имеют место в переходный и холодный периоды года. Это время является весьма продолжительным для территории РФ. Сельскохозяйственные помещения в отличие от производственных складских помещений требуют большого воздухообмена и значительных энергозатрат на подготовку входящего холодного воздуха. Например, для животноводческого помещения (фермы) на 290 голов молодняка расход воздуха через перекрестноточный теплообменник должен составлять до 12 тыс. м3/ч. При этом при влажности 50-85% его составляющими могут быть NH3 до 20 мг/м3, SO2 до 10 мг/м3, СО до 20 мг/м3.Прямое использование установок с рекуперацией тепла различных фирм при организации микроклимата в сельскохозяйственных помещениях при пониженных (ниже -10 С) приводит к обмораживанию каналов в перекрестноточном теплообменнике по вытяжному воздуху за счет контактов через стенку с каналами по отработанному воздуху за счет контактов через стенку с каналами свежего холодного уличного воздуха, что приводит к неработоспособности в этих условиях.
На рис. 3.7. показана общая схема установки с электрическим автономным зональным нагревателем [121]. Установка содержит фигурный короб 1. В центре короба 1 расположен полимерный теплообменник 2 перекрестного тока так, что его нижнее диагональное ребро соединено с нижней стенкой 3 короба 1. Вершина приточной части теплообменника 2 соединена с верхней стенкой 4 короба 1. Объем короба 1 делится на три канала: до теплообменника 2 приточный канал 5, вверху теплообменника 2 сбросной канал 6, внизу вытяжной 7. В приточном канале 5 установлен приточный вентилятор 8. В вытяжном канале 7 введен вытяжной вентилятор 9 с фильтром 10. Приточный воздух нагнетается вентилятором 8, проходит через приточный канал 5, теплообменник 2, на входе из которого проходит воздухонагреватель 11, где подогревается до заданных нормативных температур и выводится в сельскохозяйственное помещение. Подогрев воздуха в воздухоподогревателе 11 может осуществляться различными альтернативными энергоносителями (например, газовый теплообменник или электронагреватель). На рис.3.9 представлен воздухонагреватель 11 в виде газового теплообменника, включающего трубку 12, перфорированную отверстиями, куда вводится газ для сжигания. Газ подогревает пластины 13, внешняя поверхность которых передает тепло потоку приточного воздуха выходящего из теплообменника 2. Подогрев воздуха в воздухоподогревателе 11 управляется регулирующим органом 14 через исполнительный механизм 15 с выходом на блок сравнения 16. Первый вход блока сравнения 16 соединен с датчиком температуры (термопарой) 17. Второй вход соединен с задатчиком 18. Продукты сгорания из воздухоподогревателя 11 выводятся в отверстие 19 через трубку 20 в окружающую среду.
Температурный режим в полимерном перекрестноточном теплообменнике 2 с каналами по вытяжному воздуху открытого типа 21 и по приточному воздуху сотового типа 22 регулируется с помощь электронагревателя 23, установленного в них по всей их толщине в самой холодной области теплообменника 2 («холодном угле»), склонной к замораживанию конденсированной влаги из вытяжного воздуха. Нагреватель 23 обеспечивает температурный режим, исключающий замораживание конденсата влага на поверхностях в каналах пластинчатого типа 21 теплообменника 2, создавая только условия конденсации влаги и ее стекание в нижнюю часть теплообменника и удаления её через трубку 24.
Температура в холодной области теплообменника 2 регистрируется и изменяется по сигналу термопары 25.
Нагреватель 23 через исполнительный механизм 26 связан с выходом блока сравнения 27. Первый вход блока сравнения 27 связан с термопарой 25. Второй вход блока сравнения соединен с задатчиком 28.
Нагреватель 23, состоит из керамического стержня 26, рис. 3.8, покрытого нихромовой спиралью 30 и изоляцией 31. На изоляцию 31 одеваются плотно изоляционные кольца 32 и металлические дисковые пластины 33. Пластины 33 располагаются в центре приточного канала с зазором от полимерных поверхностей теплообмена 34 теплообменника 2. При организации сборки теплообменника 2, поверхности 34, соединяются с изоляционными кольцами 32 герметично на клеевой основе.
Теплоизолированные клапаны вытяжной 32 и приточный 33, связаны коробом в торцах с каналами вытяжного и приточного воздуха теплообменника 2. Температуру и влажность воздуха в животноводческом помещении определяют датчиком температуры 37 и влажности 38.
Установка работает следующим образом. В холодный период года (весна, осень, зима) открываются теплоизоляционные клапаны 35, 36. Открывается ввод газа. Включаются все электронные устройства: 28, 27, 26, 15, 16, 18.
В задатчик 28 устанавливается сигнал, соответствующий температуре на 2-3 С выше температуры замерзания конденсата, полученного из влажного воздуха животноводческого помещения. В задатчик 18 вводится сигнал, соответствующий нормативной температуре животноводческого помещения.
