Ефективність утилізації теплоти в системах вентиляції

Дешко В. І. ,зав. кафедри Суходуб І.О., асистент кафедри

теплотехніки та енергозбереження НТУУ «КПІ»

Конструкция теплообменника Lossnay

температурный коэффициент эффективности (по явной теплоте):

100%SA OAt

RA OA

t t

t tη −

= ×− min min

( ) ( )

( ) ( )S p SA OA E p RA EA

sensiblep RA OA p RA OA

m c T T m c T T

m c T t m c T Tε

− −= =

− −

энтальпийный коэффициент эффективности (по полной теплоте)

100%SA OAh

RA OA

h h

h hη −

= ×−

min min

( ) ( )

( ) ( )S fg SA OA E fg RA EA

latentfg RA OA fg RA OA

m h m h

m h d m h

ω ω ω ωε

ω ω ω− −

= =− −

коэффициент эффективности по скрытой теплоте

100%SA OAd

RA OA

d d

d dη

−= ×

−min min

( ) ( )

( ) ( )S SA OA E RA EA

totalRA OA RA OA

m h h m h h

m h h m h hε − −= =

− −

распределения температур, влагосодержаний, теплового потока и потока

массы пара по поверхности теплообменаМоделирование локальных коэффициентов теплоотдачи в каналах различной формы

Моделирование теплообмена при перекрестном токе

• в щелевом теплообменнике• Модель перекрестного тока с использованием метода

конечных разностейo оребрение o треугольное поперечное сечение o с учетом зон конденсации и образования инея

Моделирование локальных коэффициентов теплоотдачи в каналах

различной формы

МатериалПлотность,

кг/м3

Теплоемкость,

Дж/(кг⋅К)

Теплопроводн

ость, Вт/(м⋅К)

Толщина, м

Алюминий 2719 871 202,425·10-6

Мембрана 1060 1340 0,12

Свойства материалов ребра

wall, T =f(z)wall

sym

met

ry sym

met

ry

symmetry

δ , λfin fin

velocity inlet, T fl(z=0)

x

y

z

pressure outlet

wall, T =f(z)wall

sym

met

ry sym

met

ry

δ , λfin fin

velocity inlet, T fl(z=0)

pressure outlet

Результаты моделированияПоля скоростей Поля температур

Результаты моделирования

( ) 2

*

3 * *T 1 3x

Nu Nu 10 exp( )a

a x a x= + × × × − ×

Геометрия канала NuT a1 a2 a3

Параллельные пластины (2b/2a=0) 7,526 10,2 -0,4 -250Квадратный оребренный канал(2b/2a =2,0mm/2,0mm)

3,863 14,1 -0,60 -47,0

Треугольный оребренный канал, (2b/2a =2,5mm/5,0mm)

3,178 11,0 -0,41 -44,5

Треугольный оребренный канал, (2b/2a =1,7mm/4,7mm)

3,273 11,3 -0,42 -41,5

Треугольный канал, 1 side T=const(2b/2a =1,7mm/4,7mm)

1,643 10,9 -0,37 -25,0

Моделирование теплообмена при перекрестном токе в щелевом теплообменнике

Распределение теплового потока (а) и температуры стенки

Изменение локального числа Нуссельта по ходу движения холодного воздуха

Модель перекрестного тока с использованием метода

конечных разностей

Для теплообмена

Для массообмена

Конвективные коэффициенты массоотдачи находятся по аналогии между тепло- и массообменом

Распределение температуры приточного и вытяжного воздуха

по поверхности теплообмена

Разница в температуре вытяжного воздуха при расчете по локальным и средним к-там теплоотдачи

Распределение теплового потока

Распределение влагосодержаний по

поверхности пластины

Перекрестный ток в щелевых калах. Сравнение расчета интегральных характеристик

теплообмена

Параметрε-NTU метод

МКР CFD

Погрешность МКР по

сравнению с CFD

Температура горячего теплоносителя на выходе, К

273,087 273,188 272,835 0,133%

Температура холодного теплоносителя на выходе, К

285,213 285,112 285,465 -0,124%

Суммарный тепловой поток через одну пластину, Вт

3,778 3,761 3,822 -1,596%

Температурный коэффициент эффективности

0,689 0,686 0,697 -1,578%

Доля поверхности теплообмена с температурой

ниже 273,15 К- 0,265 0,28 -5,548%

Модель перекрестного тока с использованием метода конечных разностей с учетом зон

конденсации и образования инея

p,h s,wp p≥ p,h s,wp p≥ w 273,15KT ≤

и

К-т теплоотдачи

В тепловом балансе горячего воздуха – добавка на фазовые переходы

( )( )

mem mem ,

cond ,

cond h

c

1( , )

/ 1/

( , )

( , ) ( , ) ( ( , ) ( , ))

( , ) ( ( , ) ( , ))

( , ) ( , )

( , ) ( , )

convm c

convm h

in outh h

out inc c

in insat c

in insath

m i jh

m i j h

m i j m i j G i j i j

m i j G i j i j

i j i j dA

i j i j dA

δ µ

ω ωω ω

ω ω

ω ω

− +

+ = × − = × −

= × ×

= − × ×

( )fr ,

fr h

( , ) 0

( , )

( , ) ( ( , ) ( , ))

( , ) ( , ) convm h

in outh h

in insath

m i j

m i j h

m i j G i j i j

i j i j dA

ω ω

ω ω

= × −

== − × ×

Массоперенос. Зона

конденсации

Массоперенос. Зона образования инея

Залежність зони заморожування від відносної вологості повітря в приміщенні при різних температурах зовнішнього повітря: -5 ºC; -10

ºC; -15 ºC; -20 ºС

Влияние типа теплообменника на зону

конденсации

Массоперенос через мембрану.

Конденсация/замораживание

Утилізація теплової енергії за опалювальний період

• методи узагальнення метеоданих• стратегії боротьби з заморожуванням

теплоутилізатора• режим роботи теплоутилізатора

для кліматичних умов України при цілодобовому режимі роботи утилізована енергія у 4,5 та 7,8 разів

перевищує затрати електроенергії на приводи вентиляторів

термін окупності може коливатися від 3 до 10 років в залежності від типу енергії, стратегії боротьби з інеєутворенням

та режиму роботи установки.

методи узагальнення метеоданих

• по числу годин стояння (ЧГС) і середньому вологовмісту для кожної температури для опалювального періоду

• по середнім температурам і вологовмістам для кожного місяця

• з використанням медіани температур і вологовмісту для кожного місяця

• за середньою температурою і вологовмістом та тривалістю опалювального сезону

Зібрані півгодинні дані по температурі, відносній вологості і тиску зовнішнього повітря для м. Києва за опалювальний сезон 2011-2012 рр.

ЧГС зовнішніх температур для опалювального періоду

Вологовміст в залежності від температури

стратегії боротьби з заморожуванням теплоутилізатора

а) при температурі зовнішнього повітря tOA ≤-5 °С передбачається наявність попереднього нагріву припливного повітря (потужність калорифера обрана по температурі -22 °С і складає 0,6 кВт, при температурах tOA ≤-22 °С установку можна переключати на понижену витрату повітря);

б) при температурах в діапазоні tOA =(-10 … -15) °С через кожні 60 хв. припливний вентилятор вимикається на 10 хв. та теплообмінник продувається теплим витяжним повітрям; при температурах tOA ≤-15 °С передбачається наявність попереднього нагріву (потужність калорифера складає 0,6 кВт).

затрати енергії на попередній нагрів для варіанту б) - близько 4,5% від утилізованої енергії, для варіанту а) - близько 13 %

Значення повної / явної економії теплової енергії за опалювальний період, кВт•год

Метод розрахунку Цілодобово С 8:00 до 20:00 С 20:00 до 8:00

Півгодинні значення* 3940 /3220

1890 /1540

2050 /1680

4130 /3440

1980 /1640

2150 /1800

ЧГС температур* 3970 /3220

1985 /1610

1985 /1610

4160 /3440

2080 /1720

2080 /1720

Середньомісячні 4300 /3630

2150 /1815

2150 /1815

Медіани за місяць 4350 /3650

2180 /1825

2180 /1825

Середні за опалювальний період

4320 /3660

2160 /1830

2160 /1830

Енергетична ефективність з врахуванням внутрішніх перетоків

Установка

mt

5,

sa

m t1, 1

m t2, 2 m t3, 3

m t4, 4

вентилятор вентилятор

фільтр фільтр

mt

6,

ea

m tra, ra

m tsa, sa

m toa, oa

m tea, ea

теплообмінник

Потоки повітря (основні та непередбачені)

закон збереження маси та енергії для

повітря у вузлах

• Явний утилізований тепловий потік в теплообміннику

1 5 ram m m= +ra p ra sa p sa 1 p 1m c t m c t m c t+ =

2 5 sam m m= +

3 ea 6m m m= +

4 oa 6m m m= +4 4 oa p oa 6 p eapm c t m c t m c t= +

1 3m m=

2 4m m=

1 1 p 1 3( )Q m c t t= × × −

2 2 p 2 4( )Q m c t t= × −

Коефіцієнти внутрішніх перетоків

5int1

1

m

m=ε 6

int 24

m

m=ε

Результати експериментуtra, ºС tsa, ºС tea,

ºС

toa,

ºС

t1, ºС t2, ºС t3, ºС t4, ºС msa,

кг/с

mea,

кг/с

23,1 22,5 13,8 2,8 23 21,2 12,3 7,2 0,032 0,037Результати розрахунків

mra,

кг/с

moa,

кг/с

m1,

кг/с

m2,

кг/с

m3,

кг/с

m4,

кг/с

m5,

кг/с

m6,

кг/с

0,044 0,024

0,053

0,040 0,053

0,040 0,009

0,016

0,167 0,400

int1ε

int 2ε

підмішування m5 та m6 зменшує максимальний перепад температур в теплообміннику з 20,3 до 15,8ºС

врахування перетоків повітря зменшує відмінність між утилізованими тепловими потоками з 10 до 1,5% для явної теплоти та з 88 до 2,6% для повної.

int1ε

Расчётное и экспериментальное определение показателей работы

OWEN t,φ

t,φ

t,φ

t,φ

t,φ

t,φ

t,φ

t,φ

Схема установки и измерений

Летний период. Экспериментальные данные по температурам

Дневное время июля 2013 года. Средний фактический температурный коэффициент эффективности 73.2 %.

Летний период. Расчетные данные по температурам

Теоретические расчеты, задаваясь коэффициентами эффективности согласно данным производителя ( , ) по погодным данным г. Киева для того же дня[9-11]. Температура и влажность в помещении (24оС и 45%) - средние значения из результатов эксперимента

81.6%t =η

Летний период. Экспериментальные данные по влагосодержанию

Средний фактический коэффициент эффективности по скрытой теплоте составляет 63.8%. Средний

энтальпийный коэффициент эффективности - 71.0%.

Летний период. Расчетные данные по влагосодержанию

Значительное различие во влагосодержании наружного воздуха по метеорологическим и экспериментальным данным (10.6 против 8.6 г/кг).

Летний период. Экспериментальные данные по утилизированным

тепловым потокам

Доля скрытого теплового потока в общем составляет 20%.

Летний период. Расчетные данные по утилизированным тепловым

потокам

Скрытая теплота составляет 78.5% от полной

Данные за летний период 2013 года и их сравнение с типичными метеоданными

IWEC для г. Киева

Число часов стояния температур для интервалов в 1оС

Данные за летний период 2013 года и их сравнение с типичными метеоданными

IWEC для г. Киева

Число часов стояния влагосодержанияЦелесообразно для расчета экономии энергии использовать

почасовые данные по температуре и влажности либо число часов стояния комбинации температуры и влажности

0

10

20

Чи

сло

часо

в ст

ояни

я, ч

ас

Диапазоны изменения температуры

Диапазоны изм

енения в

лажности26..30

31..3536..40

41..4546..50

51..5556..60

61..6566..70

71..75

32..32.931..31.9

30..30.929..29.9

28..28.927..27.9

26..26.925..25.9

24..24.9

76..80

Число часов стояния комбинации температур и относительной влажности

для г. Киева, IWEC

Критическая комбинация

температуры и влажности

наружного воздуха. Скрытый

утилизированный и поэтому полный

поток по энтальпии становится

отрицательным