РАСЧЕТ ВОЗДУХО-ВОЗДУШНЫХ РЕКУПЕРАТОРОВ ДЛЯ ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНОЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

Баишева Л.М.¹, Жиркова М.В.²

¹Аспирант,

²старший преподаватель,

Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова

РАСЧЕТ  ВОЗДУХО-ВОЗДУШНЫХ РЕКУПЕРАТОРОВ ДЛЯ ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНОЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

Аннотация

В работе представлен расчет параметров рекуператоров, установленных в приточно-вытяжных устройствах систем вентиляции воздуха. Для расчета впервые используется температура наружного воздуха t_н=-50°С, характерная для населенных пунктов в условиях Севера. Отмечено несоответствие теоретических результатов расчета с экспериментальными данными.

Ключевые слова: рекуператор, вентиляция воздуха, конденсация влаги.

Baisheva L.M.¹, Zhirkova М.V.²

¹Postgraduate,

²senior lecturer,

North-Eastern Federal University in Yakutsk

ANALYSIS OF AIR-TO-AIR RECUPERATOR IN THE NORTH

Abstract

The analysis of air-to-air recuperator characteristics in the North is submitted. The outdoor temperature is minus 50 degrees is for the first time used. It is noted that calculation data don't correspond to experiment.

Keywords: recuperator, ventilation, condensation of moisture.

Затраты теплоты на подогрев приточного наружного воздуха при современных методах теплозащиты ограждающих конструкций составляют в жилых домах до 80% тепловой нагрузки на отопительные приборы, а в общественно-административных зданиях более 90%. Поэтому энергосберегающие системы отопления в современных конструкциях зданий могут быть созданы только при условии утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха. Наибольший интерес представляют приточно-вытяжные установки систем вентиляции с вращающимся и пластинчатым рекуператорами.

Применение воздушных рекуператоров в суровых климатических условиях ограничено из-за возможного обмерзания вытяжной части теплообменной установки. Устранение обмерзания позволит существенно расширить температурный диапазон работы воздушных рекуператоров в области низких температур.

Для обеспечения бесперебойной работы рекуператора необходимо на его входе для наружного воздуха поддерживать температуру не ниже -20ºС. В то же время температура кипения хладагента в испарителе, находящемся в канале уходящего воздуха, не должна опускаться ниже 0… 5ºC для недопущения его обмерзания [1, 2].

В настоящий момент широко применяется общепринятая методика расчета параметров приточного и удаляемого воздуха на выходе из теплообменника на примере стационарного воздушного пластинчатого теплоутилизатора [3], представленного на рисунке 1. В качестве исходных данных начальную температуру приточного воздуха принимают равной -5°C. Однако суровые климатические условия Республики Саха (Якутия) предполагают значения температур наружного воздуха в среднем -50°C в холодный период года.

В данной работе будет рассмотрен расчет воздухо-воздушных рекуператоров для приточно-вытяжной системы вентиляции в условиях Севера по вышеуказанной методике.

Расход приточного и удаляемого воздуха 5000 кг/ч. Начальная температура удаляемого воздуха t_уд.=20°С, влажность φ=25%, влагосодержание d= 3,5 г/кг, I_н= 29 кДж/кг, t_р=0,1°С, I_р=9 кДж/кг.  Теплообменная поверхность рекуператора собрана из пластин, между которыми расположено оребрение δ_р=0,15 мм, образующие каналы в виде равносторонних треугольников (β=60º). Просвет между пластинами 3 мм. В рекуператоре подогревают приточный воздух с начальной температурой t_н=-50°С, I_н=-50 кДж/кг. Размеры фронтального сечения в каждом канале рекуператора f_фр=0,7х0,7 м, глубина l=0,3 м. Схема движения теплообменивающихся сред противоточная.

Рис. 1 – Схема устройства воздухо-воздушного рекуператора

Сперва определяем живое сечение для прохода воздуха по формуле

                                                                         (1)

где величину параметра  определяем по табл. Х.1 [3], которая равна 0,857 м²/м³:

Затем определяем площадь теплообменной поверхности в потоке удаляемого ( ) и приточного ( ) воздуха

,                                                           (2)

где   по табл. Х.1. равна 1905 м²/м³:

Определяем эквивалентный диаметр теплообменника D_экв по табл. Х.1 [3] D_экв=1,77·10^-3 м и массовую скорость воздуха в живом сечении теплообменника

,                                                                     (3)

Плотность удаляемого воздуха (t_уд.=20°С) ρ₁=1,205 кг/м³, а плотность приточного воздуха (t_н=-55°С) ρ₁=1,534 кг/м³_.

Скорости потоков удаляемого и приточного воздуха соответственно равны: ω₁=11,02/1,205=9,145 м/с, ω₂=11,02/1,534=7,187 м/с.

Определяем значения критерия Re, принимая коэффициенты кинематической вязкости ν₁=15,11·10^-6 м²/с и ν₂=9,55·10^-6 м²/с:

                                                                       (4)

Затем определяем значения Nu по формуле:

                                                       (5)

Определяем коэффициенты теплообмена α₁ и α₂, принимая λ₁=2,57·10^-2 Вт/(м·К) и λ₂=2,04·10^-2 Вт/(м·К):

                                                     (6)

Определяем показатель оребрения одной и другой поверхности по формуле:

  ,                                                            (7)

считая ŋ_р=1 и :

Определяем коэффициент теплопередачи:

                                                                                      (8)

Определяем коэффициент теплопередачи учитывающий тепло-  и массоперенос, по формуле:

                                                             (9)

вычисляя с_нас по формуле:

,                                                                      (10)

Для определения с_нас используется таблица значений коэффициентов A, B, C, D (при барометрическом давлении 101,3 кПа), зависящих от температуры наружного воздуха и относительной влажности. И максимально возможная низкая температура воздуха -20°С. Если рассматривать t_н=-50°С, то можно сделать вывод, что отношение коэффициентов В/Д стремится к нулю. Следовательно, с_нас=с_в.

Тогда получаем:

Определяем безразмерные параметры, характеризующие режимы работы теплообменников без выпадения конденсата (F_o^´₁ и W₁) и при выпадении конденсата на поверхности (F_o^´_I1 и W_I1):

                                                                        (11)

,                                                                              (12)

                                                                         (13)

,                                                           (14)

Используя найденные значения  определяем значения относительного перепада температур θ₂ при работе теплообменника в режиме "сухого" теплообмена по формуле:

                                                                                  (15)

Используя найденные значения , определяем значения θ_I2 при работе теплообменника в режиме выпадения конденсата на всей поверхности по формуле:

                                                  (16)

Определяем температуру приточного воздуха после утилизатора при работе его в "сухом" режиме по формуле:

,                                                           (17)

Если влагосодержание удаляемого воздуха увеличить, то рекуператор будет работать в условиях выпадения конденсата на всей поверхности.

Определим температуру приточного воздуха после утилизатора при работе его в режиме с выпадением конденсата на всей поверхности при следующих параметрах удаляемого воздуха: t_уд=20 ºС; d=14,5 г/кг; I_Т=57 кДж/кг:

,                                     (18)

Таким образом, по результатам расчета можно сказать, что чем ниже температура наружного воздуха, тем выше температура приточного воздуха после утилизатора с выпадением конденсата на всей поверхности. Этот вывод не соответствует экспериментальным данным. Поэтому необходимо разработать новую методику расчета температуры приточного воздуха после рекуператора с выпадением конденсата в зависимости от температуры наружного воздуха ниже -31 ºС.

Литература

1. Вишневский Е.П. Особенности обеспечения эффективной работы пластинчатых теплообменников рекуперативного типа в суровых климатических условиях // С.О.К. 2005. № 1.
2. Дискин М.Е. Эффективность рекуперации теплоты в системах вентиляции при температурах наружного воздуха ниже температуры опасности обмерзания. АВОК. 2006. № 4.
3. Богословский В.Н. и др. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение: Учебник для вузов / В.Н. Богословский, О.Я. Кокорин, Л.В. Петров; Под ред. В.Н. Богословского. – М.: Интеграл 2014 – 367 с., ил.

References

1. Vishnevskij E.P. Osobennosti obespechenija jeffektivnoj raboty plastinchatyh teploobmennikov rekuperativnogo tipa v surovyh klimaticheskih uslovijah // S.O.K. 2005. № 1.
2. Diskin M.E. Jeffektivnost' rekuperacii teploty v sistemah ventiljacii pri temperaturah naruzhnogo vozduha nizhe temperatury opasnosti obmerzanija. AVOK. 2006. № 4.
3. Bogoslovskij V.N. i dr. Kondicionirovanie vozduha i holodosnabzhenie: Uchebnik dlja vuzov / V.N. Bogoslovskij, O.Ja. Kokorin, L.V. Petrov; Pod red. V.N. Bogoslovskogo. – M.: Integral 2014 – 367 s., il.