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