RESEARCH OF THE TUBULAR RECUPERATOR’S OPERATION

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТРУБЧАТОГО РЕКУПЕРАТОРА

Научная статья

Ласкин И.А. *

Филиал НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, Смоленск, Россия

* Корреспондирующий автор (laskin96[at]yandex.ru)

Аннотация

Предложена конструкция трубчатого рекуператора для обогрева приточного воздуха с возможностью монтажа в стену и окно. Проведено экспериментальное исследование по выявлению рабочих характеристик рекуператора. Представлены результаты измерения температуры на притоке, в теплообменнике и на вытяжке рекуператора. Выявлены показатели скорости воздуха на притоке. Представлены результаты расчетов давления и объемного притока воздуха в помещение. Выявлена прямая зависимость температуры приходящего воздуха, от уличной температуры и температуры внутри помещения.

Ключевые слова: воздух, температура, скорость, давление, теплообмен, приток.

RESEARCH OF THE TUBULAR RECUPERATOR’S OPERATION

Research article

Laskin I.A. *

Branch of National Research University “Moscow Power Engineering Institute”» in Smolensk, Smolensk, Russia

* Corresponding author (laskin96[at]yandex.ru)

Abstract

The article proposes the design of a tubular recuperator intended for heating the incoming air with the possibility of mounting a window into the wall. An experimental study was conducted aimed at identifying the performance of the recuperator. The results of temperature measurement on the influx, in the heat exchanger and on the pump-out of the heat exchanger are presented. The indicators of air speed in the influx are revealed. The results of calculations of pressure and volumetric air flow into the room are presented. Direct dependence of the temperature of the incoming air on the street temperature and the temperature inside the room was also discussed.

Keywords: air, temperature, speed, pressure, heat transfer, influx.

Введение

Рекуператор — это теплообменник специальной конструкции, используемый для вентилирования помещений. Во время проветривания большая часть тепла не теряется. Зимой снижается нагрузка на отопление.

При постоянной циркуляции оборудование работает сразу в двух направлениях. Отработанный теплый воздух удаляется. Приходящий с улицы холод нагревается, попадает в комнату, вместе с подогревом обеззараживается [3], [5]. Температурный режим можно регулировать.

Отработанные потоки во время удаления проходят через теплообменник, отдавая тепло. В этом заключается основной принцип действия. Рекуператор состоит из корпуса, к которому подсоединены патрубки, вмонтированы вентиляторы, фильтры и теплообменные кассеты [4].

Рекуператоры тепла имеют множество технических реализаций, среди которых есть как локальные приточно-вытяжные установки, так и оборудование для монтажа в централизованные системы [1], [2]. В любой отдельно взятой модели разработчики стремятся продумать каждую мелочь, ведь для таких устройств прирост по одному из показателей неизбежно вызывает ухудшение других параметров.

В соответствии с устройством и принципом действия различают пластинчатые, трубчатые и роторные рекуператоры — это три наиболее популярных типа, которые пригодны к использованию в гражданской сфере благодаря простоте конструкции [8], [9], [10].

Материалы и методы

Главным и единственным оборудованием в данном исследовании является рекуператор, представленный на рисунке 1.

 

Рис. 1 – Рекуператор воздуха

 

Данный рекуператор является полностью сборной конструкцией. В сборку его конструкции входят следующие комплектующие:

• Приточный вентилятор с диаметром рабочего колеса 125 мм;
• Вытяжной вентилятор с диаметром рабочего колеса 100 мм;
• Две вентиляционных решетки с присоединительным диаметром 100 мм;
• Два короба из пластика ПВХ размерами 55х110х300 мм;
• Два переходника типа тройник с прямоугольными присоединительными поверхностями размерами 55х110 и с цилиндрической диаметром 100 мм;
• Два угловых-прямоугольных соединителей короба;
• Два угловых переходника с прямоугольного сечения на цилиндрическое с присоединительным размером 100 мм;
• Эксцентриковый переходник с диаметра 100 мм на 125 мм;
• Две направляющих матрицы из пластика PBA для трубок;
• 36 алюминиевых трубок с наружным диаметром 10 мм и длиной 500 мм;
• Изолирующие компоненты;
• Элементы электрики.

Для более точного описания установки был построен трехмерный макет (рис.2).

 

Рис. 2 – Модель установки рекуператора

 

Сначала необходимо установить лист ДВП 1, с заранее проделанным отверстием под рекуператор, в форточку оконный рамы 2 и заизолировать место стыка 3 для предотвращения теплопотерь. Затем включаем вентиляторы 4 и 5 в сеть 220 В. Вентиляторы работают одновременно. Вытяжной вентилятор 5 обдувает трубки снаружи теплообменника 6, расположенного внутри короба. Параллельно предыдущему процессу, приточный вентилятор 4 всасывает воздух через воздухозаборники 7, которые расположены с уличной стороны окна. Уличный воздух, проходя через подогреваемый воздухом из помещения теплообменник, прогревается и поступает в помещение с гораздо большей температурой, в разности с температурой воздуха на улице.

Измерения температуры производятся при помощи тепловизора после 30 минут работы установки. Замер скорости ветра производится с помощью термоанемометра.

Для измерения температуры, согласно правилам использования тепловизора, тепловизор держим на расстоянии 0,5 метра от исследуемого объекта. Скорость ветра измерялась при помощи термоанемометра.

Температуру внутри помещения измеряем по бытовому электрическому термометру.

Основная часть

В ходе проведения исследования, были получены следующие значения величины:

 

Таблица 1 – Экспериментальные характеристики рекуператора

Динамическое давление на вентиляторе рассчитывается по формуле:       (1) p - плотность воздуха, при t = 20 ; V – скорость потока воздуха в вентиляторе. Cтатическим давлением можно пренебречь, так как оно стремится к нулю [6]. Плотность воздуха численно равна 1,2 кг/ м³ [7]. Так же следует учесть, что естественное движение воздуха в помещении необходимо вычесть из полученных скоростей воздуха, для более корректного значения объемной производительности при различных наружных температурах. Объемная производительность рассчитывается по формуле:      (2) F – площадь поперечного сечения теплообменника. Трубки имеют внутренний диаметр 8 мм. Так как количество трубок 36, тогда площадь поперечного сечения теплообменника будет равна:     (3) Самым важнейшим показателем работоспособности рекуператора является температура на приточном вентиляторе. Что бы спрогнозировать показатели температуры вне измеряемого диапазона, был выбран метод аппроксимации по методу наименьших квадратов. Это обусловлено его относительной простотой и достаточной точностью расчета. Уравнение функции аппроксимации – уравнение прямой линии. Тогда, при наружной температуре 1 , функция, заданная таблично, будет иметь вид:   (4) x – уличная температура воздуха; y – среднее арифметическое значение температуры на притоке в помещение. Благодаря аппроксимации полученных значений, в работе удалось построить прогнозирующую прямую (рис.3).  

Рис.3 – Аппроксимирующая функция работоспособности рекуператора

 

Так же в ходе математического анализа была выявлена погрешность аппроксимирующей функции, равная 1,093 %, что дает нам возможность с достаточной точностью оценить возможности работы рекуператора при различных наружных температурах.

Вывод

На основании полученных результатов исследования, можно с сделать вывод, что рекуператор работает достаточно эффективно в некотором диапазоне температур. Объемная величина притока воздуха остается постоянной, так как она напрямую зависит от мощности приточного вентилятора [4], [5]. Таким образом, с установкой более мощного вентилятора, можно увеличить приток воздуха, до необходимой нормы на помещение. Построена наглядная зависимость работы рекуператора и рассчитаны прогнозируемые показатели работоспособности рекуператора с погрешностью аппроксимации приблизительно 1%.

Так же в ходе проведения исследования, были выявлены следующие зависимости между исследуемыми величинами:

• температура на приточном вентиляторе прямо зависит от температуры наружного воздуха;
• температура внутри теплообменника непостоянна по всей его длине и напрямую зависит от температуры внутри помещения и уличной температуры, собственно, поэтому, температура в теплообменнике и непостоянна по всей его длине;
• температура на вытяжном вентиляторе прямо зависит от температуры внутри помещения;
• скорости ветра, а, следовательно, и объемная производительность рекуператора ограничены только мощностью монтируемых вентиляторов, плотность воздуха в полученном диапазоне температур изменяется несущественно, поэтому ей можно пренебречь.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Бондарчук А.А. Системы вентиляции в жилых зданиях с рекуперацией тепла удаляемого воздуха // Фундаментальные и прикладные исследования молодых ученых. 08-09.02.2018. С. 358 – 360.
2. Губина И.А. Энергосбережение в зданиях при утилизации тепла вытяжного воздуха / И.А. Губина, А.С. Горшков // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 4 (31). С. 209 – 219.
3. Игнаткин И.Ю. Система рекуперации теплоты с адаптивной рециркуляцией вытяжного воздуха // Вестник ВНИИМЖ. № 1 (33). С. 100 – 103.
4. Кучукбаев К.В. Энерго- и ресурсосберегающие аппараты и технологии / К.В. Кучукбаев, Э.Г. Гарайшина // Вестник Казанского Технологического Университета. 2013. Т.16. № 7. С. 110 – 112.
5. Лобов Д.С. Энергосбережение в системах вентиляции / Д.С. Лобов, К.С. Самутенко // Актуальные вопросы энергетики. 17.05.2017. С. 46 – 48.
6. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения. [Текст]: Справочник / А.Н. Бессонный, Г.А. Дрейцер В.Б. Кунтыщ и др. – С.-Пб.: Недра, 1996 - 512 с.
7. Поникаров, И.И. Машины и аппараты химических производств. [Текст] / И.И.Поникаров.- М.: Машиностроение, 1989. - 368с.
8. Росляков А.Ю. Рекуперация тепла в системах приточно – вытяжной вентиляции посредством обратимого термодинамического цикла // Энергетика глазами молодежи 2017. 02-06.11.2017. С. 304 – 309.
9. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. [Текст]: учебник для вузов- 3-е издание перераб. и доп. / А.И. Скобло, Ю.К.Молоканов, В.А.Владимиров, В.А.Щелкунов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000.- 677с.
10. Шичкин В.В. Обоснование применения рекуперации теплоты вентиляционного воздуха при климатизации универсальных быстроформирующихся зданий / В.В. Шичкин, М.Н. Жерлыкина, С.А. Яременко, С.А. Соловьев // Жилищное хозяйство и коммунальная инфратруктура. 2020. № 1 (12). С. 40 – 48.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bondarchuk A.A. Sistemy ventilyatsii v zhilykh zdaniyakh s rekuperatsiei tepla udalyaemogo vozdukha [Ventilation Systems in Residential Buildings with Heat Recovery of Pumped Out Air] // Fundamentalniye I Prikladniye issledovaniya yunikh uchenikh [Fundamental and Applied Research of Young Scientists]. 02/08/2018. P. 358 - 360. [in Russian]
2. Gubina I.A., Gorshkov A.S. Energosberezhenie v zdaniyakh pri utilizatsii tepla vytyazhnogo vozdukha [Energy Saving in Buildings when Extracting Heat from Pumped Out Air] // Konstruktsiya unikalnikh zdaniy i stroyeniy [Construction of Unique Buildings and Structures]. – 2015. – No. 4 (31). – P. 209 - 219. [in Russian]
3. Ignatkin I.Yu. Sistema rekuperatsii teploty s adaptivnoi retsirkulyatsiei vytyazhnogo vozdukha [Heat Recovery System with Adaptive Recirculation of Pumped Out Air] // Vestnik vserossiyskogo nauchnogo universiteta mekhanizatsii zhivotnovodstva [Bulletin of All-Russian Scientific Research Institute of Livestock Mechanization]. – 2019. – No. 1 (33). – P. 100 - 103. [in Russian]
4. Kuchukbaev K.V. Energo- i resursosberegayushchie apparaty i tekhnologii [Energy and Resource Saving Devices and Technologies] / K.V. Kuchukbaev, E.G. Garaishina // Vestnik Kazanskogo Tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University]. – 2013. – V.16. – No. 7. – P. 110 - 112. [in Russian]
5. Lobov D.S., Samutenko K.S. Energosberezhenie v sistemakh ventilyatsii [Energy Saving in Ventilation Systems] / D.S. Lobov, K.S. Samutenko // Aktualniye voprosy energii [Topical Issues of Energy]. 05/17/2017. P. 46 - 48. [in Russian]
6. Osnovy rascheta i proektirovaniya teploobmennikov vozdushnogo okhlazhdeniya. [Tekst]: Spravochnik [Basics of Calculation and Design of Air-Cooled Heat Exchangers. [Text]: Reference] A.N. Bessonnyi, G.A. Dreitser V.B. Kuntysh et al. – S.-Pb.: Nedra, 1996 - 512 p. [in Russian]
7. Ponikarov, I.I. Mashiny i apparaty khimicheskikh proizvodstv. [Tekst] [Machines and Devices in Chemical Production. [Text]] / I.I. Ponikarov. – M.: Mechanical Engineering, 1989. – 368 p.
8. Roslyakov A.Yu. Rekuperatsiya tepla v sistemakh pritochno – vytyazhnoi ventilyatsii posredstvom obratimogo termodinamicheskogo tsikla [Heat Recovery in the Systems of Suction-and-Exhaust Ventilation through a Reversible Thermodynamic Cycle] // Energiya glazami molodezhi [Energy through the Eyes of Youth] – 2017. – P. 304 - 309. [in Russian]
9. Skoblo A.I. Protsessy i apparaty neftegazopererabotki i neftekhimii. [Tekst]: uchebnik dlya vuzov- 3-e izdanie pererab. i dop. [Processes and Machinery for Oil and Gas Refining and Petrochemicals. [Text]: Textbook for Universities, 3rd Edition, Revised and Suppl.] / A.I. Skoblo, Yu.K.Molokanov, V.A.Vladimirov, V.A.Shchelkunov. – M.: OOO «Nedra-Biznestsentr», 2000.- 677p. [in Russian]
10. Shichkin V.V. Obosnovanie primeneniya rekuperatsii teploty ventilyatsionnogo vozdukha pri klimatizatsii universalnykh bystroformiruyushchikhsya zdanii [Rationale for the Use of Heat Recovery of Ventilation Air in the Climate Control of Universal Rapidly Forming Buildings] / V.V. Shichkin, M.N. Zherlykina, S.A. Yaremenko, S.A. Solovyev // Zhilishchnoe khozyaistvo i kommunalnaya infrastruktura. 2020. No. 1 (12). p. 40 – 48. [in Russian]