10025

4.3. Регенеративные тепломассообменные аппараты

Широкое применение в установках утилизации теплоты воздуха получи-

ли регенеративные вращающиеся и переключающиеся утилизаторы теплоты, в

которых передача тепла осуществляется аккумулирующей массой, находящей-

ся последовательно в потоках теплого и холодного воздуха.

Вращающиеся регенераторы (рис. 4.2а) состоят из аккумулирующей мас-

сы – насадки, корпуса, электродвигателя с редуктором, приводящим во враще-

ние насадку, и продувочной камеры. Насадка может быть образована пласти-

нами различной конфигурации, сетками, шариками, стружкой и т.д.

Продувочная камера предназначена для очистки поверхности насадки при переходе её из удаляемого воздуха в приточный. Вращающиеся регенераторы подразделяются на сорбирующие и несорбирующие. В сорбирующих регенера-

торах аккумулирующая масса из капиллярно-пористого материала (асбесто-

картона, технического картона и т.п.) пропитана сорбентом (хлористый литий,

бромистый литий и т.п.), обеспечивающим поглощение влаги из удаляемого воздуха и передачу его в процессе десорбции приточному воздуху. В сорбиру-

ющих регенераторах с металлической насадкой сорбент наносят на поверх-

ность металла напылением.

В переключающихся регенераторах (рис. 4.2б) насадка неподвижна и по-

следовательно омывается теплым и холодным воздухом.

Регенераторы являются наиболее экономичными утилизаторами тепла удаляемого с воздухом, так как для изготовления насадки требуются сравни-

тельно дешевые материалы. Недостаток регенераторов состоит в возможности переноса запахов. Перенос вредных веществ и переток удаляемого воздуха в приточный предотвращается устройством продувочной камеры, а также созда-

нием подпора в приточном канале по отношению к вытяжному. В современных конструкциях регенераторов переток воздуха не превышает 0,4…4 %.

Основные варианты установки регенеративных теплообменников в воз-

духоприготовительных центрах приведены на рисунке 4.3 [20].

70

Рис. 4.2. Регенеративные вращающийся (а) и переключающиеся (б) утилизаторы теплоты: 1 – корпус; 2 – электродвигатель с редуктором; 3 – продувочная камера; 4 – насадка; 5 – воздушный клапан

Рис. 4.3. Принципиальная схема воздухоприготовительных центров с регенеративными теплообменниками: а – с периодическим отключением приточного вентилятора; б – с обводным каналом по приточному воздуху; в – с предварительным подогревом приточного воздуха; г – с регенератором, работающим в периоды похолоданий по схеме прямоточного движения теплообменивающихся сред; д, е – движение воздушных потоков в регенераторе установки «г» при его работе по противоточной и прямоточной схеме, соответственно

71

При отрицательной температуре приточного воздуха на поверхности насадки может замерзать конденсат, образующийся при прохождении ею пото-

ка удаляемого воздуха. При допустимости кратковременного прекращения по-

дачи вентиляционного воздуха разрешается образование инея на поверхности с последующим его оттаиванием путем прекращения подачи холодного воздуха примерно на 5 минут через каждые 3-5 ч работы системы (рис. 4.3а).

В тех случаях, когда не допускается кратковременное отключение систе-

мы вентиляции, следует предусматривать меры, предотвращающие образова-

ние инея. Например, в периоды похолодания пропускать часть наружного воз-

духа через обводной канал, минуя регенератор (рис. 4.3б) или уменьшать ча-

стоту вращения ротора регенератора с помощью тиристорных регуляторов.

Иногда для предотвращения инееобразования применяют установки с предва-

рительным подогревом приточного воздуха (рис. 4.3в). С этой целью исполь-

зуют электроили водяные воздухонагреватели. В последнем случае необходи-

мо предусматривать защиту теплоносителя от замерзания.

Допускается также использовать технологическую схему с подогревом части приточного воздуха. Предотвратить инееобразование возможно путем перехода в периоды похолоданий от противоточной к прямоточной схеме дви-

жения воздушного потока в регенераторе (рис. 4.3г). В таких регенераторах следует предусматривать специальную конструкцию продувочной камеры с пе-

реключающимся клапаном (рис. 4.3д-е).

4.4. Тепломассообменные аппараты утилизации теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем

Отличительная особенность утилизаторов теплоты с промежуточным теплоносителем заключается в наличии циркуляционного контура, в котором перемещается рабочее вещество, обеспечивающее передачу тепловой энергии от источника к потребителю. Установки с промежуточным теплоносителем – наиболее широко распространенный вид теплоутилизаторов в системах преоб-

разования тепловой энергии. В зависимости от вида используемого теплооб-

72

менника теплоутилизаторы могут быть рекуперативного или контактного типа.

Возможны также варианты, когда в одном канале теплоноситель непосред-

ственно контактирует с теплообменивающейся средой, а в другом используется рекуперативный теплообменник. Теплоутилизаторы с промежуточным тепло-

носителем могут работать в области однофазной жидкости, а также в области влажного пара. В качестве однофазной жидкости обычно применяют воду либо другие жидкости, не замерзающие в рабочем диапазоне температур. В качестве жидкостей, обеспечивающих работу теплоутилизаторов в области влажного па-

ра, используют хладоны, водяной пар, аммиак, а также растворы (водоаммиач-

ные, бромистолитиевые и пр.).

Утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем и теплоутилиза-

торами рекуперативного типа используют тепло удаляемого из помещения воз-

духа общеобменной вентиляции или тепло технологических выбросов. Прин-

ципиальные схемы воздухоприготовительных центров приточной вентиляции или кондиционирования микроклимата с рекуперативными теплообменниками,

использующими тепло удаляемого воздуха для нагрева приточного воздуха,

приведены на рисунке 4.4 [20], где: tв.н1, tв.к1 – температуры воздуха на входе и выходе из вытяжного теплообменника, соответственно, °C; tв.н2, tв.к2 – темпера-

туры воздуха на входе и выходе из приточного теплообменника, °C.

Как правило, утилизируемого тепла оказывается недостаточно для нагре-

ва приточного воздуха до требуемых температур в течение всего отопительного сезона. В связи с этим в воздухоприготовительных центрах необходимо иметь дополнительные источники тепла. Возможны два пути решения этой задачи. В

соответствии с первым из них (рис. 4.4, а-в, д) догрев воздуха осуществляется в дополнительных воздухоподогревателях, устанавливаемых до и после утилиза-

торов теплоты и подключаемых к теплосети. Во многих установках эти возду-

хонагреватели работают лишь в периоды похолоданий, а в течение остального времени не используются. В установках с предварительным подогревом при-

точного воздуха (рис. 4.4, б) отключение дополнительных воздухонагревателей

может привести к замерзанию теплоносителя в трубках.

73

Рис. 4.4. Принципиальные схемы воздухоприготовительных центров с использованием утилизаторов тепла удаляемого воздуха рекуперативного типа с промежуточным теплоносителем: а – установка с подогревом приточного воздуха в воздухонагревателе; б - установка с предварительным подогревом воздуха в воздухонагревателе; в – установка с обводным каналом; г – установка с подогревателем промежуточного теплоносителя; д – установка с двумя рабочими насосами; 1 – приточный теплообменник; 2 – циркуляционный насос; 3 – вытяжной теплообменник; 4 – датчик защиты от обмерзания; 5 – бак промежуточного теплоносителя; 6 – обратный клапан; 7 – регулирующий клапан; 8 – датчик температуры; 9 – от теплосети; 10 – дополнительный воздухоподогреватель; 11 – воздухонагреватель предварительного подогрева; 12 – обводной канал; 13 – подогреватель промежуточного теплоносителя

74

Приведенный факт является недостатком данной схемы воздухопригото-

вительных центров. Другой путь решения задачи состоит в догреве промежу-

точного теплоносителя в периоды похолоданий (рис. 4.4, г).

В большинстве установок с промежуточным теплоносителем, применяе-

мых в системах вентиляции и систем кондиционирования микроклимата, на ча-

сти поверхности теплообменника, расположенного в вытяжном канале, конден-

сируется водяной пар. Наличие конденсата может привести к образованию наледи. Способы защиты теплообменников с промежуточным теплоносителем от образования наледи указаны на рисунках 4.4. В соответствии со схемой рис.

4.4б приточный воздух предварительно нагревается до постоянной в течение отопительного сезона температуры. В схемах рисунков 4.4а и 4.4в при образо-

вании наледи на поверхности теплообменника по сигналу датчика перепада давлений 4 периодически сокращается расход воздуха или промежуточного теплоносителя через теплообменник приточного воздуха и происходит оттаи-

вание замерзшего конденсата. В схеме рисунка 4.4г для тех же целей использу-

ется подогрев промежуточного теплоносителя от постороннего источника. В

схеме рисунка 4.4д защита от замерзания конденсата достигается увеличением расхода промежуточного теплоносителя в период низких температур путем включения резервного насоса.

Рассмотрим пример расчета утилизаторов теплоты с промежуточным теплоносителем для вентиляционных систем [21], расчетная схема которых приведена на рисунке 4.5. В качестве промежуточного теплоносителя исполь-

зуется водный раствор этиленгликоля с температурой замерзания ‒30 °C.

Вытяжная установка, удаляющая воздух из верхней зоны помещения,

нагревает промежуточный теплоноситель в воздухонагревателях (теплоизвле-

кающий теплообменник), который затем следует в приточную установку, где отдает накопленное тепло в теплоотдающем теплообменнике. Обычно этого тепла не хватает для нагрева приточного воздуха до требуемой температуры, и

поэтому установка комплектуется дополнительным воздухонагревателем, рабо-

тающим от системы теплоснабжения здания.

75

Рис. 4.5. Схема приточно-вытяжной системы вентиляции с промежуточным теплоносителем: 1 – вытяжная установка; 2 – приточная установка; 3 – трубопроводы с этиленгликолем; 4 – расширительный бак; 5 – циркуляционный насос

Исходные данные для расчета.

Место строительства: г. Москва, температура наиболее холодной пяти-

дневки с обеспеченностью 0,92 tн Б = ‒26 °C, энтальпия наружного воздуха Jн =

‒25,3 кДж/кг. Объект: спортивный зал школы, со следующими параметрами микроклимата и воздухообменом: Gу = Gп = 4600 кг/ч; tу1 = 23,2 °C; tп1 = 21,6

°C; Jу1 = 39,6 кДж/кг; Jп1 = 33 кДж/кг; φу1 = 36 %.

На J-d диаграмме (рис. 4.6) наносим точки У1 и f c tf = 2 °С и φf = 100 %.

76

Рис. 4.6. J-d диаграмма влажного воздуха

77

Процесс утилизации тепла пойдет по прямой, соединяющей эти две точки

до относительной влажности φу2 точки У2:

φу2 = 88 % при φу1 от 30 до 40 %; φу2 = 92 % при φу1 от 50 до 70 %; φу2 = 98 % при φу1 более 70 %.

Точка У2 имеет параметры tу2 = 4,4 °C, Jу2 = 16 кДж/кг и φу2 = 88 %. Если влагосодержание точки уходящего воздуха менее 4,5 г/кг, то процесс утилизации пойдет без конденсации влаги по линии d = const до температуры tу2 = 4 °С. Для дальнейших расчетов строим линию условного сухого режима по d = const из

точки f. Проводим линию энтальпий из точек У1			и У2 до пересечения с d = const.
					= 28 °C;	J У	= кДж/кг; для
Это точки У1	и У 2	с параметрами: для точки У1		– tУ
				1		1

точки

		= 4,6 °C; J У	= 16 кДж/кг.
У 2	– tУ
	2	2

Количество утилизируемого тепла Qу, кДж/ч, составит:

Qу Gу (J у1 J у2 )	сGу (tу1 tу2 ) .	(4.12)
Qу 4600 (39,6 16)	108600 кДж/кг.

Находим температуру наружного воздуха, после теплоотдающего тепло-

обменника, по следующей зависимости:

tн2

		Q		t			108600
		G	c		н1		4600	1,005
		н

26

2,5

C

.

(4.13)

Определяем расчетное количество этиленгликоля, циркулирующего в системе Gаф, кг/ч, по формуле:

	Gаф	Qу	,	(4.14)
		cаф tаф

где tаф – рекомендуемый перепад температур, °C, принимаем равным 6 °C; с аф

– удельная теплоемкость этиленгликоля, равная 3,5 кДж/кг·°C.

Gаф

		108600
		3,5	6

5170

кДж/кг.

Для предотвращения обмерзания средняя температура этиленгликоля принимается равной tср.аф = 1 °C, тогда:

78

					t
t		1			аф		1
	аф1				2
	t			1		6	2
			аф2			2

	6	4	C
	2
	C.

,

(4.15)

Показатель теплотехнической эффективности теплоотдачи теплообмен-

ника в сухом режиме Θt, у, определяется по зависимости:
			tн2	tн1	.	(4.16)
	t , у
			tаф1	tн1

t, у

2,5 4,6 4 ( 26)

0,78

.

Для теплоизвлекающего теплообменника, аналогично Θt, у составляет:

			t	t			28 4,6
			У1		У2			0,78 .
	t , у		t	t			28 ( 2)
					аф2
			У1

Отношение теплоемкости потоков W равно:

W

W	G c			.
	п		п
	G	c	аф
	аф
4600 1,005				0,26
5170 3,5

.

(4.17)

По таблице 4.2 находим численное значение критерия Фурье Fо = 1,8.

Требуемая величина произведения коэффициента теплопередачи тепло-

отдающего теплообменника на площадь теплообмена равна:

		KF		1,16G
				п
		п		3,6
KF		1,16 4600 1,8
п			3,6

Fо

.

2780

Вт/°C.

(4.18)

Требуемая величина произведения коэффициента теплопередачи тепло-

извлекающего теплообменника на площадь теплообмена равна:

– при наличии конденсации влаги

	KF		1,5G F
			п	о
	п		3,6

;

(4.19)

– при отсутствии конденсации влаги
KF	1,16Gп Fо	.	(4.20)
п	3,6
	79