Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор систем кондиционирования воздуха с использованием утилизации низкопотенциальной теплоты 10
1.1 Общие принципы использования вторичных энергоресурсов в системах кондиционирования воздуха 10
1.2 Анализ аппаратурного оформления и схем утилизации теплоты в системах кондиционирования воздуха 16
1.3 Теплотехнические особенности расчета утилизаторов теплоты в системах кондиционирования воздуха 23
1.4 Рекомендации по совершенствованию систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты 32
1.5 Выбор направления исследования 37
1.6 Выводы по главе 1 38
Глава 2 Математический эксперимент тепломассообмена в роторном утилизаторе теплоты 39
2.1 Тепловой баланс 39
2.2 Движущие силы процессов тепло- и массообмена 43
2.3 Исследование интенсивности теплообмена 54
2.4 Исследование интенсивности тепломассообмена 61
2.5 Исследование относительной интенсивности тепломассообмена 69
2.6 Выводы по главе 2 75
Глава 3 Экспериментальные исследования закономерностей тепломассообмена в роторном утилизаторе теплоты 76
3.1 Схема роторного утилизатора теплоты 76
3.2 Схема и описание экспериментального стенда 85
3.3 Обработка экспериментальных данных 89
3.4 Тепловой баланс и построение процесса обработки воздуха в роторном утилизаторе теплоты на J-d диаграмме 93
3.5 Рекомендации по компоновке систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты 96
3.5.1 Прямоточная схема без рециркуляции 96
3.5.2 Прямоточная схема с использованием предподогрева (утилизатора теплоты с промежуточным теплоносителем) 98
3.5.3 Схема с подогревом рециркуляционного воздуха 101
3.5.4 Прямоточная схема с обводом наружного воздух 103
3.6 Выводы по главе 3 106
Глава 4 Промышленные испытания роторного утилизатора теплоты 107
4.1 Описание промышленной установки 107
4.2 Испытания параметров роторного утилизатора теплоты на промышленной установке 108
4.3 Методические основы расчета технологических параметров разработанного утилизатора теплоты 111
4.4 Выводы по главе 4 118
Глава 5 Метрологические и экономические параметры роторного утилизатора теплоты 119
5.1 Планирование эксперимента 119
5.2 Метрологические характеристики. Классификация погрешностей средств измерений 123
5.3 Маркетинговые исследования 127
5.3.1 Ситуация в отрасли 127
5.3.2 Потенциальные клиенты 129
5.3.3 Размеры рынка 133
5.3.4 Конкуренция 135
5.4 Технико-экономические показатели 140
5.4.1 Сравнительная экономическая эффективность при внедрении современного оборудования 140
5.4.2 Расчет показателей эффективности применения роторных пластинчатых утилизаторов теплоты в системах кондиционирования воздуха 145
5.5 Выводы по главе 5 149
Заключение 150
Условные обозначения 151
Библиографический список 152
Приложение 160
- Анализ аппаратурного оформления и схем утилизации теплоты в системах кондиционирования воздуха
- Исследование интенсивности тепломассообмена
- Методические основы расчета технологических параметров разработанного утилизатора теплоты
- Сравнительная экономическая эффективность при внедрении современного оборудования
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время проблема энергосбережения является одной их приоритетных государственных задач, от решения которой во многом зависит успех экономического развития и подъема строительства в ЖКХ на основе инноваций, а также использовании новых технологий и оборудования. Наибольший потенциал по энергосбережению имеется в сфере теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха, потребляющих в настоящее время значительное количество тепловой и электрической энергии и существенно влияющих на тепловой и воздушный режим зданий различного назначения.
Современная тенденция развития систем кондиционирования воздуха в Российской Федерации заключается в повышении надежности и эффективности работы систем и аппаратов систем кондиционирования воздуха, работающих в различных температурных режимах. Решение задач энергосбережения и совершенствования систем кондиционирования воздуха с использованием энергии низкого потенциала в значительной степени зависит от применения роторных утилизаторов теплоты. Создание новых утилизаторов теплоты с использованием вращающихся регенеративных теплообменников позволяет повысить эффективность работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
Для реализации энергоэффективных мероприятий по использованию низкопотенциальной энергии в роторных пластинчатых теплообменниках необходим современный подход, предполагающий совместные исследования и моделирование процессов тепломассообмена, создание новых конструкций роторных утилизаторов теплоты, а также разработку и оптимизацию вариантов проектных решений по повышению надежности существующих систем кондиционирования воздуха в соответствии с действующими нормативными документами. Это также предполагает оценку технико-экономической эффективности и надежности работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
На этой основе автором разработаны энергоэффективные схемы роторных утилизаторов теплоты, различные компоновочные решения прямоточных и рециркуляционных систем кондиционирования воздуха, проведены
экспериментальные и промышленные испытания, а также установлены метрологические, маркетинговые и экономические параметры.
Цель работы. Повышение энергоэффективности существующих и проектируемых систем кондиционирования воздуха с использованием роторных утилизаторов низкопотенциальной теплоты.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ существующих схем утилизации в системах вентиляции и кондиционирования воздуха;
разработка математической модели роторного утилизатора теплоты;
обработка результатов экспериментальных исследований для последующей технико-экономической оптимизации конструкции аппарата и технологических решений;
получение эмпирических зависимостей эффективности нагрева обрабатываемого воздуха при различных технических решениях;
разработка методических материалов для расчета и проектирования установки нагрева наружного воздуха;
- разработка принципиальных схем компоновки систем кондициониро
вания воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты.
Основная идея работы состоит в разработке схем утилизации тепло
ты, которые позволят значительно сократить потребление высокотемпера
турного теплоносителя в системах вентиляции и кондиционирования воздуха
и снизить тепловую мощность поверхностных воздухонагревателей первого
подогрева, а во многих случаях отказаться совсем от их применения.
Методы исследования включали обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и опытно-промышленные исследования и обработку полученных экспериментальных данных с применением программных пакетов ПЭВМ.
Достоверность результатов научных положений и выводов работы обоснована применением классических положений теории тепломассообмена, планирования экспериментов, применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, большим объемом экспериментальных данных и подтверждением их удовлетворительной сходимости с полученными результатами экспериментов.
Научная новизна:
проведен математический эксперимент и разработана математическая модель процесса тепло- и массопереноса в роторном утилизаторе теплоты;
разработано устройство для нагрева и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем (Пат. 95802, 109273);
впервые получены аналитические зависимости эффективности роторного утилизатора теплоты от расхода теплоносителя, расхода обрабатываемого воздуха, а также частоты вращения ротора. Практическое значение работы:
разработан и экспериментально испытан утилизатор низкопотенциальной теплоты, позволяющий значительно сократить потребление высокотемпературного теплоносителя в системах кондиционирования воздуха и снизить тепловую мощность поверхностных воздухонагревателей первого подогрева;
разработаны методические основы расчета установки кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты;
разработаны принципиальные схемы компоновки систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты, предназначенные для использования в системах кондиционирования воздуха административных, общественных зданий, торгово-развлекательных и физкультурно-оздоровительных, спортивных комплексов, учреждений здравоохранения, образования, культуры;
впервые произведены испытания роторного утилизатора теплоты на замораживание и даны рекомендации для разработки схем автоматизации защиты от замораживания.
Реализация результатов работы:
материалы диссертационной работы используются в ООО НИЦ «Ин-вент» при разработке проектной и рабочей документации систем вентиляции и кондиционирования воздуха;
разработанные рекомендации по использованию разработанного утилизатора в системах вентиляции и кондиционирования воздуха приняты для использования при разработке рабочей документации на реконструкцию центральных систем кондиционирования воздуха Централь-
ного концертного зала г. Волгограда, а также при разработке рабочей документации систем вентиляции и кондиционирования воздуха Исто-рико-архитектурного и художественного музея «Новый Иерусалим», г. Москва;
материалы диссертационной работы были использованы для реконструкция линии производства роторных утилизаторов низкопотенциальной теплоты на предприятии ООО «ТЭК»;
результаты исследований использованы в учебном процессе кафедры «Энергоснабжение и теплотехника» ВолгГАСУ при организации научно-исследовательской работы аспирантов и студентов, в дипломном проектировании.
В качестве секций нагрева и увлажнения приточного воздуха роторные утилизаторы теплоты используют в своих центральных кондиционерах фирмы Novair (Италия),Уогк (США) и Hidria (Словения).
Основные положения, выносимые на защиту:
математическая модель роторного утилизатора теплоты и уравнения теплопередачи и теплового баланса;
результаты экспериментальных исследований эффективности исследуемого аппарата от расхода обрабатываемого воздуха, расхода низкопотенциального теплоносителя и частоты вращения ротора;
схемы систем кондиционирования воздуха с роторным утилизатором теплоты с использованием предподогрева, с подогревом рециркуляционного воздуха, прямоточные схемы без рециркуляции воздуха и с обводом наружного воздуха.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ВолгГАСУ (2010-2012), а также всероссийских и международных научно-практических конференциях:
международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», 2010);
XV Европейский ABOK-EHI Симпозиум «Инновационное энергоэффективное оборудование для теплоснабжения, водоснабжения и клима-тизации зданий. Актуализация нормирования и технологии зеленых
зданий», который состоялся 19 апреля 2011г. совместно с XV Международной специализированной выставкой SHK MOSCOW 2011;
XXVIII конференция и выставка «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности» (2011);
XXIX конференции и выставке «Москва: энергоэффективный город» (2012);
IX Ежегодный бизнес-форум «Деловой России» «Ставим на Конкуренцию!» (2013).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях и 2 патента РФ.
Личный вклад соискателя: разработка методов исследований и создание экспериментальной базы, обработка и анализ полученных результатов, разработка методики инженерного расчета роторного утилизатора для использования в системах кондиционирования воздуха, участие во внедрении результатов исследований в практику проектирования.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, списка используемых литературных источников и приложений. Общий объем диссертации включает 167 страниц, содержащего 9 таблиц, 53 рисунка, список используемых источников из 94 наименований и приложения на 8 страницах.
Анализ аппаратурного оформления и схем утилизации теплоты в системах кондиционирования воздуха
Использование вторичных тепловых ресурсов является одной из мер повышения эффективности систем вентиляции и кондиционирования. Наибольшее распространение получили теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем на основе воздухонагревателей разных моделей и номеров, отдельное применение нашли роторные и рекуперативные аппараты.
Утилизаторы теплоты можно разделить на два типа: теплоутилизаторы -теплообменники непосредственного действия (рис. 1.3, а-д) и тепловые насосы, увеличивающие температурный уровень рабочего вещества (рис. 1.3, ё). Все теплоутилизаторы подразделяют на четыре группы [67]:
- утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем (рис. 1.3, а) на основе как поверхностных, так и контактных аппаратов,
- вращающиеся регенеративные утилизаторы теплоты (рис. 1.3, б),
- рекуперативные утилизаторы теплоты типа «воздух-воздух» (пластинчатые и кожухотрубные) (рис. 1.3, в, г), а также многочисленные виды контактных теплообменников-теплоутилизаторов типа «воздух-вода»,
- тепловые трубки (рис. 1.3, д).
Известно, что рекуперативными называют аппараты, где нагреваемая и охлаждаемая среды имеют неизменные поверхности и разделены стенкой, а регенеративными - те, в которых поверхность теплообмена попеременно контактирует то с одной, то с другой средой. Каждый из видов утилизаторов теплоты имеет свои особенности и область применения.
Аппараты рекуперативного типа имеют отличительную особенность -наличие рециркуляционного контура, в котором перемещается (циркулирует) рабочее вещество (вода, водные растворы этиленгликоля, рассол), передающее тепловую энергию от источника (уходящий воздух) к потребителю (наружный воздух). В зависимости от вида применяемых аппаратов утилизаторы теплоты могут быть рекуперативного или контактного (смесительного) типа (рис. 1.4, а). Возможна комбинированная схема, когда в одном канале теплоноситель непосредственно контактирует с одной средой, а в другом используется рекуперативный теплообменник (рис. 1.4, б).
На основе утилизаторов теплоты можно построить более сложные схемы - воздухоприготовительные центры с подогревом и увлажнением обрабатываемого наружного воздуха (рис. 1.4, в). Утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем имеют меньшую эффективность и более сложную методику инженерного расчета, чем другие, но удобны, когда для рабочего вещества (загрязненный уходящий воздух) исключено попадание в наружный воздух, даже в малом количестве. Кроме того, такие утилизаторы незаменимы при значительном удалении приточных и вытяжных установок, т.к. приточные установки на наружном воздухе обычно размещают в подвальной части здания, а вытяжные - на последнем (техническом) этаже.
В этом случае два теплообменника, соединенные циркулирующим между ними промежуточным теплоносителем, перемещаемым по трубопроводам и занимающим минимум места, являются единственным средством утилизации теплоты удаляемого воздуха. Долгое время эти утилизаторы являлись основными типами устройств в отечественной практике (70-е - первая половина 90-х годов XX века). Другие типы утилизаторов были исследованы, однако выпускались малыми партиями.Одной из разновидностей такой схемы является схема (рис. 1.5) на основе двух компактных насадочных аппаратов и использования в качестве промежуточного теплоносителя раствора хлористого лития в воде. В теплообменных аппаратах этой системы можно осуществлять перенос как явной теплоты, так и влаги. Таким образом, наружный воздух можно одновременно и нагревать и увлажнять. В настоящее время в России и за рубежом уделяют много внимания вопросам экономии теплоты в жилых и общественных зданиях [23, 38, 46, 58, 66, 67, 70,71, 77, 93]. Причём, в Европе по материалам фирмы Jaga [89], одним из основных направлений исследований является использование низкопотенциального тепла в системах отопления. В России в силу значительных климатических различий это направление пока не получило должного развития.
Ещё хуже ситуация с использованием низкопотенциального тепла в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, что связано с опасностью замораживания воздухонагревателей в этих системах при низкой температуре теплоносителя.
В то же время, анализ проектов [73]показывает, что в современных общественных и многофункциональных зданиях расход теплоты на вентиляцию и кондиционирование воздуха в 2-3 раза превышает расход теплоты в системах отопления. Поэтому важнейшим направлением современных исследований должны стать вопросы экономии теплоты именно в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.
Основной причиной, препятствующей развитию этого направления, является отсутствие высокоэффективного и надёжного оборудования для нагревания воздуха с отрицательной начальной температурой низкопотенциальным теплоносителем.
В СССР основным тепломассообменным оборудованием в системах вентиляции и кондиционирования воздуха были форсуночные камеры орошения. И ещё в начале 50-х годов Участкиным П.В. [76] были проведены исследования по прямому нагреванию в этом аппарате воздуха с отрицательной температурой при его контакте с распыливаемои водой с температурой всего 30...40С. К сожалению, из-за отсутствия финансирования, эти исследования не получили дальнейшего развития и были прекращены. Негативную роль в прекращении работ сыграл и тот факт, что в ходе исследований Участкина П.В. было установлено, что для использования в режиме прямого нагревания воздуха типовая конструкция камеры орошения непригодна и должна быть значительно изменена [76].
За рубежом подобные исследования не проводились, так как там получили распространение только адиабатные форсуночные камеры орошения, которые, как и орошаемые насадки, можно использовать только для увлажнения воздуха. В наиболее полном на сегодня обобщении всех известных тепломас-сообменных аппаратов, применяемых в зарубежной технике, нет ни одного аппарата, который можно было бы использовать для прямого нагревания воздуха с отрицательной температурой низкопотенциальным теплоносителем.
В 1984г. группой сотрудников Волгоградского инженерно-строительного института и Волгоградского отдела ГПИ «Проектпромвентиля-ция» для увлажнения воздуха в системах вентиляции и кондиционирования был предложен принципиально новый аппарат, названный авторами «роторный пластинчатый тепломассообменник» [74].Принципиальная схема такого аппарата приведена на рис. 1.6. 16 п 10 2 10 12 16 4 2 Рис. 1.6 Принципиальная схема роторного пластинчатого тепломассообменника (РПТМ).
Несколько позже, в поддоне было предложено установить дополнительный теплообменник для возможности прямого нагревания наружного воздуха низкопотенциальным теплоносителем [53, 54, 78]. ООО "ТЭК" было организовано малосерийное производство роторных пластинчатых тепломассообмен-ников, которые успешно используются в центральных кондиционерах зарубежных фирм YORK, NOVAIR и др. для увлажнения воздуха.
Роторный пластинчатый тепломассообменник имеет корпус 1, поддон 2, входной и выходной воздушные патрубки 3, 4 с фланцами и размещенный в корпусе вращающийся ротор, собранный из параллельно установленных гладких дисков 5, закрепленных на горизонтальном валу б и разделенных шайбами 7. Ротор приводится во вращение электродвигателем 8 через редуктор 9. Требуемый уровень воды в поддоне обеспечивается с помощью двух вертикальных перегородок 10, которые отделяют в поддоне секции подачи и удаления воды через входной и переливной патрубки 12,11. В режиме изоэнтальпийно-го увлажнения уровень воды поддерживается путем подпитки от водопровода через шаровой клапан, установленный в подпиточном бачке. Для обеспечения необходимого зазора между дисками (2,0...2,5мм) по периметру ротора установлены шпильки 13 с шайбами заданной толщины.
Исследование интенсивности тепломассообмена
В контактных аппаратах процесс теплообмена протекает совместно с процессом массообмена. Это обстоятельство усложняет расчет параметров процесса и вызывает дополнительные требования к выбору переменных величин и условий однозначности (при решении системы дифференциальных и алгебраических уравнений), коэффициентов теплопроводности и теплообмена, удельной теплоемкости парогазовой смеси и движущей силы процесса.
Используем те особенности и условия, которые были высказаны выше, и выведем уравнение интенсивности тепломассообмена аналогично выводу уравнения интенсивности теплообмена.
При этом движущей силой процесса будет разность температуры жидкости и температуры газа по смоченному термометру, а перенос теплоты от одной среды к другой будет характеризовать коэффициент полного теплообмена (или коэффициент тепломассообмена) а. Итак, запишем вывод уравнения интенсивности тепломассообмена, имея в виду новые особенности и обозначения, связанные с наличием массообмена (рис. 2.6):
Аналогично / коэффициенты Аг и / = amMFr = -1п(Дґ„/Д/ом) могут быть использованы в качестве определяемых чисел подобия, но удобнее в расчетах использовать числа подобия с меньшим количеством параметров сред. Поэтому преобразуем уравнение (2.25) в уравнение, аналогичное (2.18). В результате получим выражение для коэффициента интенсивности тепломассообмена:
Зная Km, по начальным параметрам сред можно определить конечную температуру газа по смоченному термометру, соответствующую энтальпию газа, а следовательно, и количество переданной в аппарате теплоты, т. е. решить задачу о тепломассообмене, не прибегая к расчету массообмена
Как видим, Kt зависит от двух идентичных чисел подобия Вти Вт! одно из которых, а именно Bmi как более удобное при расчетах, будем использовать в качестве определяющего числа подобия.
Кроме того, при переходе к последнему равенству имеется в виду, что поверхность контакта./ - и среднее сечение/каналов течения газа, если они не заданы геометрически в аппарате, определяются линейными размерами системы газ - жидкость, расходами, скоростями и физическими параметрами сред, т.е. теми переменными, которые входят в полученные числа подобия. Ввиду близости значения Рг к единице для газов в последующем можно его исключить из определяющих чисел подобия, тем более что из рассмотренной выше системы дифференциальных уравнений переноса импульса, массы и энергии следует, что число Нуссельта зависит от чисел Рейнольдса и Фруда: Nu=XRe,Fr).
В числа подобия входит характерный линейный размер /, Ввиду высокой полидисперсности и неопределенности формы частиц жидкости и образований газа в реактивном пространстве контактных аппаратов непосредственное оперирование величиной / практически не представляется возможным. Поэтому образуем комбинированное число Рейнольдса-Фруда, в котором характерный линейный размер отсутствует:
Входящая в ReK скорость со представляет собой относительную скорость газа и жидкости. В ряде случаев ее определить трудно или невозможно. Тогда вместо нее следует взять в качестве расчетной такую скорость, которая известна, определяется легко и в наибольшей степени влияет на тепломассообмен, т. е. является как бы масштабом относительной скорости. Не исключено влияние геометрического числа подобия, если расчетная скорость газа слабо связана с относительной.
Входящая в ReK величина „(напряженность поля тяготения) представляет собой ускорение в поле тех сил в реактивном пространстве контактного аппарата, которые действуют на частицы жидкости в направлении относительной (или расчетной) скорости газа. Например, в поле сил тяжести напряженность поля равна ускорению свободного падения (gn g), а в поле центробежных сил - квадрату тангенциальной скорости газа, деленному на соответствующий радиус окружности: gn = Ur2/R.
При введении числа ReK следует иметь в виду, что решить вопрос о достаточности одного числа R&Kunu (с целью сохранения общего количества определяющих чисел подобия), о необходимости использования двух чисел -RCKH RemiH RCKH Fr- фактически можно только на основе обработки опытных данных в пределах той или иной точности. Проведенные эксперименты подтвердили достаточность использования одного числа ReK вместо двух (Re и Fr).
Для воды за точку отсчета обычно принимают температуру плавления 0С. Значения срг и сп являются средними в интервале температур от 0С до/. С учетом уравнения (2.32) найдем выражение сг для разности энтальпий, соответствующей разности температур /2м - їм- По определению
Идентичные числа подобия получены рядом авторов. У С.С. Кутателад-зе К = r/cAt - тепловой критерий фазовых превращений, получен для одно-компонентной среды [43]. У P.M. Ладыженского числа подобия взаимосвязаны и могут быть получены одно из другого [44]: \\r = All г Ad - отношение изменения энтальпии к изменению скрытой теплоты парообразования; Е, = AI/c At -коэффициент влаговыпадения (с = срг + cnd- теплоемкость влажного воздуха); % = с"At/ гAd - отношение изменения явной теплоты к изменению скрытой теплоты преобразования.
Идентичны числа Коссовича и Ребиндера: Ко = rA\lcqAt; Rb = cqdtlzdu, где и - массосодержание (килограмм влаги на килограмм сухого материала); cq- удельная теплоемкость влажного материала.
Идентичный перечисленным коэффициент Кег входит как составная часть в число подобия GLc„.„ G.„cn... + Grcr
По своему физическому смыслу число Bnii есть отношение теплового (водяного) эквивалента системы «газ-жидкость» к тепловому эквиваленту одного из агентов. Поэтому Bmi можно назвать числом подобия тепловых эквивалентов. Для практических расчетов вычисляем его при начальных параметрах состояния газа с учетом того, что расчетной является температура газа по смоченному термометру. Соответственно теплоемкость срв определяем по формуле срв= срг + cndiM,a отношение ДЙ?ГМ/Л/ГМ - как предел
Производная (2.36) - это тангенс угла наклона касательной к линии насыщения газа. Вычисление производной усложняет расчет. В то же время угол наклона касательной к линии насыщения меняется мало в окрестности какой-либо определенной точки. Поэтому производную можно вычислить приближенно, взяв, например, приращение температуры t\M на один градус. Тогда получим следующее выражение для коэффициента испарения
Итак, в результате анализа уравнения интенсивности тепломассообмена установлено, что расчет параметров жидкости и газа в широком диапазоне их изменения для любых процессов, контактных аппаратов и схем взаимного движения сред может быть произведен с помощью двух определяющих чисел подобия: з Re = —-— комбинированного числа Рейнольдса-Фруда; vr
Вычислив по начальным параметрам сред коэффициент Ктсогласно уравнению (2.37), а затем конечную температуру газа по смоченному термометру 2м из уравнения (2.26), можем найти энтальпию газа и количество переданной в аппарате теплоты. Для определения всех параметров сред, в частности температуры газа по сухому термометру ґ2 и абсолютного влагосодержанияа?2, соответствующего этой температуре, а значит, и для решения задачи массообмена необходимо еще одно уравнение.
Методические основы расчета технологических параметров разработанного утилизатора теплоты
На основании экспериментальных и промышленных испытаний были разработаны хметодические основы расчета технологических параметров разработанного утилизатора.
Конструирование установки кондиционирования воздуха основывается на допустимой скорости воздуха, проходящего через роторный утилизатор теплоты [9, 78]. Скорость воздуха в набегающем потоке не должна превышать 6 м/с во избежание выноса капель в последующие секции установки кондиционирования воздуха. Нижней границы скорости нет, но при снижении последней уменьшается эффективность нагрева приточного воздуха.
Ширина фронтального сечения Ъ выбирается исходя из скорости воздуха в набегающем потоке по формуле:
Габаритные размеры РПУТ выбираются, основываясь на принципиальной схеме подачи теплоносителя и расположении мотора-редуктора (рис. 4.5). Мотор-редуктор может располагаться на торцевой стороне или крышке РПУТ, откуда:
а) установка мотора-редуктора на торцевой стороне РПУТ (4.2) А = А3 5 = 6 + 0,28
б) установка мотора-редуктора на крышке РПУТ Л = Л,+0,1 5 = 6 + 0,09 где А3 = 0,625 - габаритная высота РПУТ без учета мотора-редуктора, м;А,В- габаритные высота и глубина РПУТ соответственно, м.
Габаритная длина РПУТ по ходу воздуха составляет 0,55 м.
Конечные габариты выбираются индивидуально в зависимости от внутренних размеров установки кондиционирования воздуха, варьируя скоростью воздуха в набегающем потоке и расположением мотора-редуктора.
Процесс обработки в установке кондиционирования воздуха включает два этапа - нагрев в РПУТ от точки начальных параметров (точка Н) до точки росы приточного воздуха (точка Р) и, затем, нагрев его в поверхностном воздухонагревателе (точка 77).
Конечная точка нагрева в РПУТ (точка Р) находится графическим способом на J-d диаграмме. Процесс нагрева в РПУТ проходит по линии насыщения (ф = 100%) (рис. 4.6).
Таким образом, задаются требуемые параметры воздуха, которые могут быть скорректированы далее.
Эффективность РПУТ определяется графическим способом в зависимости от скорости воздуха в набегающем потоке РПУТ по номограмме (рис. 4.9), в основе которой лежат графические зависимости коэффициента эффективности (рис. 4.7, 4.8).
По заданным температурам воздуха на входе и выходе из РПУТ и полученным коэффициентом эффективности рассчитывается минимальная температура теплоносителя по формуле:
Далее определяется минимальный расход теплоносителя Gw, кг/ч, получаемый с помощью коэффициента орошения РПУТ В, кг/кг. где ц - коэффициент орошения, определяется графически по номограмме (рис. 4.8), кг/кг; GB= рв А - массовый расход обрабатываемого воздуха, кг/ч; рв- средняя плотность обрабатываемого воздуха, кг/м3 (определяется графически по Уч/диаграмме [68]);
Таким образом, определены основные параметры теплоносителя - температура на входе в РПУТ и его расход.
Температура теплоносителя на выходе из РПУТ определяется из теплового баланса в 3600 (4.5) Q Gwcw(tw]w2) в где cw - удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг-С); twit tW2 - начальная и конечная температура теплоносителя соответственно, С;
Уточнение схемы состоит в корректировке параметров воздуха или теплоносителя, связанные с недостаточным нагревом обрабатываемого воздуха в РПУТ низкотемпературным теплоносителем. Вариантами корректировки могут являться:
- повышение начальных параметров воздуха путем использования рециркуляции удаляемого воздуха;
- повышение начальной температуры теплоносителя;
- повышение расчетного расхода теплоносителя;
- выбор другой принципиальной схемы обработки воздуха путем изменения набора секций в установке кондиционирования воздуха (секция утилизатора с промежуточным теплоносителем, секция предподогрева, секция второго подогрева воздуха).
Регулирование эффективности роторного утилизатора теплоты может осуществляться по двум направлениям:
- изменение температуры теплоносителя путем установки трехходового клапана для смешения потоков из подающего и обратного трубопроводов;
- изменения скорости вращения ротора.
Гидравлическое сопротивление РПУТ со встроенным в поддон теплообменником определяется графически (рис. 4.12) и зависит от скорости движения теплоносителя w, м/с, которая определяется по формуле
Сравнительная экономическая эффективность при внедрении современного оборудования
При проектировании, разработке и внедрении новой техники и технологии в условиях традиционных подходов к субъекту хозяйствования процедура определения экономической эффективности этих мероприятий состоит из четырех этапов.
1. Определение необходимых затрат для реализации инновационных мероприятий.
2. Определение возможных источников финансирования.
3. Оценка экономического эффекта от внедрения новой техники и технологии.
4. Оценка сравнительной эффективности новшества путем сопоставления экономических показателей.
Экономическая эффективность характеризуется соотношением экономического эффекта, полученного в течение года, и затрат, обусловленных внедрением данного мероприятия. При сравнении различных вариантов новой техники и технологии сопоставляются общие и удельные капиталовложения, себестоимость единицы продукции и прочее. Однако в случае нововведений более низкие затраты могут сопровождаться не только несоответствующими показателями технического уровня и качества новшества, но и более высокими удельными капиталовложениями. Простое сопоставление технико-экономических показателей не позволяет выявить наилучший вариант. В этом случае требуется определить общий показатель сравнительной эффективности вариантов на основе сопоставления данных экономии на приведенных затратах.
Необходимо выбрать базовый вариант техники и технологии. Выбор базы необходим для сравнения и приведения вариантов в сопоставимый вид. Так, при оценке уровня технологии производства и выбора технологического решения необходимо провести градацию видов технологий на следующие:
- устаревшие;
- базовые;
- модернизированные и улучшенные;
- принципиально новые.
При выборе базового варианта техники и технологии обследованию подвергается вся совокупность разновидностей имеющихся решений. Затем генеральная совокупность разбивается на группы, однородные в качественном отношении, с последующим проведением отбора по каждой группе. Иногда следует прибегать к агрегированию мелких технологических решений до укрупнения групп с целью получения единой базовой модели.
Выбор базы для сравнения исходных показателей новой техники и технологии имеет важное значение при определении экономического эффекта, так как сравнительная экономическая эффективность варианта новых технических и технологических решений определяется на основе сопоставления величин показателей внедряемого и базового варианта. При этом следует иметь в виду:
- выбор базы зависит от этапа жизненного цикла новой техники и технологии;
- выбор базы и варианта нового решения должен проводиться на разных стадиях жизненного цикла;
- необходимо оценить показатели эффективности новой конструкции (образца) по сравнению с базовой на стадии НИОКР;
Все вышеуказанные принципы имеют значение при системном анализе инноваций, т.е. при оценке экономической эффективности новшества с показателями, приведенными в сопоставимый вид.
Сопоставимый вид проводится по признакам: объему выпускаемой продукции, структуре номенклатуры, качеству продукции, приведенным затратам, срокам изготовления, социальному и экологическому эффекту. Кроме того, необходимо привести варианты новых решений к одинаковому составу производственных ресурсов, т.е. выявить дополнительное оборудование, дополнительную рабочую силу, дополнительные производственные площади и т.д., необходимые для внедрения новшеств. На основе этого следует предусмотреть дополнительные капиталовложения на осуществление новых технических или технологических решений.
Помимо приведения и корректировки величин общих капитальных вложений и себестоимости продукции надо учитывать, что различные статьи расходов по-разному изменяются в зависимости от изменения объемов производства и объемов продаж.
Наиболее ярко это проявляется в динамике изменения постоянных и переменных затрат.
Определение экономической эффективности осуществляется с целью принятия решения о целесообразности внедрения того или иного оборудования и выбора наилучшего из нескольких возможных вариантов.
Экономическая эффективность отражает результаты внедрения оборудования и определяется разностью между денежными доходами и расходами от реализации мероприятий, а также отражает изменение величины спроса на топливно-энергетические ресурсы в результате замещения более дорогих видов топлива менее дорогими.
Оценка эффективности использования средств, направляемых на внедрение энергоэффективного оборудования, производится на основании следующих показателей:
- инвестиции (капитальные затраты), тыс. руб.;
- годовое сбережение от внедрения того или иного оборудования, тыс. руб./год;
- срок окупаемости оборудования, лет;
- прибыльность мероприятия, т.е. сколько рублей прибыли получено на каждый вложенный рубль.
- Инвестиции включают все затраты, связанные с общими вложениями на внедрение нового оборудования или проекта. Они включают следующие статьи затрат:
- проект, стоимость оборудования и материалов;
- монтаж и наладка;
- другие затраты, налоги.
Оценка и сравнение различного оборудования и решение о внедрении принимается на основании расчёта чистого дисконтированного дохода NPV, динамического срока окупаемости DPP, внутренней нормы доходности IRRVL индекса прибыльности Р/[65].
Чистый дисконтированный доход ІУРК(превьішение дохода над затратами нарастающим итогом за расчётный период 7с учётом дисконтирования) рассчитывается по следующей формуле
