Текст
                    МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра отопления, вентиляции
и кондиционирования воздуха
ПОДБОР ТЕПЛОИЗВЛЕКАЮЩЕГО
И ТЕПЛООТДАЮЩЕГО ТЕПЛООБМЕННИКОВ
И РЕЖИМОВ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ
УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ВЫТЯЖНОГО
ВЫБРОСНОГО ВОЗДУХА С НАСОСНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
ПРОМЕЖУТОЧНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ - АНТИФРИЗА
Методические указания
для студентов специальности 290700
“Теплогазоснабжение и вентиляция”
МОСКВА 1997

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Практически во всех видах зданий имеются вытяжные системы, через которые в холодный период года удаляется воздух с более высо- кой температурой и энтальпией по сравнению с наружным воздухом. Для снижения теплопотерь в здании рационально сохранять воз- душный баланс и компенсировать вытяжку организованным притоком наружного воздуха, на подогрев которого утилизировать теплоту уда- ляемого вытяжного воздуха. На рис.1 приведена принципиальная схема системы утилизации теплоты вытяжного воздуха на подогрев приточного наружного воздуха с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя - антифриза. В вытяжной агрегат 1 из верхней зоны помещения засасывается вы- тяжной воздух Ц с температурой tyj. и энтальпией iyl, который очи- щается в фильтре 2 и охлаждается до температуры ty2 и энтальпии iy2 в теплоизвлекающем теплообменнике 3. В приточный агрегат 4 заби- рается приточный наружный воздух Енл с температурой tH1 и энтальпи- ей iHj, который очищается в фильтре 5 и нагревается в теплоотдатощем теплообменнике 6 от теплоты, извлеченной в теплообменнике 3 из вы- тяжного воздуха. Передача тепла между теплоизвлекающим 3 и тепло- передающим 6 теплообменниками осуществляется от перемещения промежуточного теплоносителя насосом 7, смонтированным на соеди- нительных трубопроводах 8. При низких отрицательных температурах наружного воздуха и обычных температурах вытяжного воздуха темпе- ратура промежуточного теплоносителя 1аф2 после тепл о отдающего теп- лообменника 6 обычно имеет отрицательное значение. Поэтому в ка- честве промежуточного теплоносителя используются антифризы - не- замерзающие жидкости. Температура охлажденного теплоносителя - антифриза Гаф2 кон- тролируется датчиком 9, который настраивается на нижний допусти- мый уровень отрицательной температуры, при которой не происходит замерзания конденсата, могущего выпадать на наружной поверхности теплоизвлекающего теплообменника 3 при охлаждении и осушении вытяжного воздуха. Выпадающий в теплообменнике 3 конденсат соби- рается в поддоне 11 и отводится в канализацию. Если температура охлажденного антифриза 1аф2 понизится ниже настроенного значения, то датчик 9 передаст команду на трехходовый автоматический клапан 10. Часть подогретого антифриза с температу- рой 1аф1 поступит по перемычке в трубопровод к теплообменнику 3 и 1
Рис.1. Принципиальная схема системы утилизации теплоты вытяжного воздуха L, на нагрев приточного наружного воздуха с насосной циркуляцией промежу- точного теплоносителя - антифриза Саф повысит температуру охлажденного антифриза таф2 до значений, при которых не будет замерзания конденсата на наружной поверхности теплообменника 3. На трубопроводах 8 для компенсации изменений объема антифри- за установлен герметичный расширительный сосуд 12 с гибкой мем- браной. Для подачи в рабочую зону помещения приточного наружного воздуха с низкой температурой служит эжекционный воздухораспреде- 2
литель 13. Холодный приточный наружный воздух выходит через со- пла, что обеспечивает эжекпию из помещения теплого воздуха. Обра- зовавшаяся смесь с температурой притока tn выходит через нижнюю часть эжекционного воздухораспределителя 13. Если в рабочей зоне помещения температура воздуха понизилась ниже контролируемого комфортного уровня, то датчик 14 подаст ко- манду на включение концевого воздухонагревателя 15 для дополни- тельного нагрева приточного наружного воздуха. Рассматриваемая система утилизации теплоты выбросного воздуха обладает следующими преимуществами: - теплоизвлекающие и теплоотдающие теплообменники могут быть расположены в любом месте здания и соединяться трубопроводами; - число групп теплообменников в притотшых и вытяжных системах может быть различным и легко приспосабливаться к особенностям организации воздушного режима в здании; - возможно объединение трубопроводами теплоизвлекающих теп- лообменников от вытяжных систем с различными вредными выброса- ми, так как полностью исключается перенос удаляемых вредностей в приточный воздух; - полностью отсутствует опасность смешения вытяжного и при- точного воздуха в системе утилизации; - оборудование может быть размешено на непригодных для произ- водства площадях (в подвалах, на чердаках, в межферменных про- странствах, подшивных потолках); - легко используется и осуществляется при реконструкции су- ществующих систем вентиляции; - простота автоматизации и контроля за работой систем; - в теплый период года теплообменники в приточных системах могут быть использованы для охлаждения приточного наружного воз- духа с применением градирен со встроенными оросительными тепло- обменниками. 2. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОИЗВЛЕКАЮЩЕГО И ТЕПЛООТДАЮЩЕГО ТЕПЛООБМЕННИКОВ И РЕЖИМОВ ИХ РАБОТЫ В СИСТЕМЕ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ВЫТЯЖНОГО ВЫБРОСНОГО ВОЗДУХА С НАСОСНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ - АНТИФРИЗА Источником теплоты в рассматриваемых системах утилизации яв- ляется вытяжной выбросной воздух, имеющий в холодный период года в обычных системах вентиляции гражданских и промышленных зданий температуру не выше 20...28 °C. При извлечении утилизируемой тепло- 3
ты рационально понижать энтальпию выбросного воздуха до пара- метров, при которых мала вероятность замерзания выпадающей влаги из охлаждаемого вытяжного воздуха в теплоизвлекающем теплообме- никс. Нагрев приточного воздуха в холодный и переходный периоды го- да в теплоотдающем теплообменнике происходит при постоянном влаго с одержании, а утилизация теплоты вытяжного воздуха, как пра- вило, - при конденсации из него влаги. В условиях пренебрежимо ма- лых притоков тепла от внешних источников к трубопроводам 8 (см. рис.1) справедливым будет следующее уравнение теплового баланса: в теплоизвлекающем теплообменнике 3 теплота от вытяжного воздуха передается к антифризу: Ly Ру (iyf ” iy?) ~ ^аф саф (Чф1 “ кф2) j - в теплоотдающем теплообменнике 6 теплота от антифриза пере- дается приточному наружному воздуху: ^аф саф (^аф! “ ^-аф2) — Цьн Рп.н сп.н (4н2 " б<1) ? - между теплообменниками 3 и 6 сохраняется баланс обмена теп- лотой: Ly Ру (iyi - iy2) — LnH Рп.н сп.н (1-н2 _ '-hi)- (О Теплотехническая эффективность нагрева приточного наружного воздуха при его постоянном влагосодержании в теплоотдающем тепло- обменнике оценивается через показатель относительного перепада температур (2) Из преобразованного выражения (2) может быть вычислена неиз- вестная конечная температура нагретого приточного наружного возду- ха бг2 — бщ.н (^аф1 ~ 1-н1) + Цн Численные величины показателя теплотехнической эффективности 6(п.н зависят от конструктивных показателей теплоотдающего теплооб- менника, режимов и схемы движения через него нагреваемого воздуха и охлаждаемой жидкости. Наиболее теплотехнически предпочтитель- ной является противоточная схема движения воздуха и жидкости, для которой численное значение показателя 9tn H может быть вычислено но выражению: 0 = _ 1 - cxp[-FoaH(l “ Чьи) 1,111 l-Wn.Hexp[-Fo,H(l-Wn.H)‘ Здесь Fon н - критерий Фурье для тсплоотдающего теплообменни- ка; часто этот показатель в литературе называют числом единиц пере- носа Nt; 4
WnH - показатель отношения теплоемкостей потоков в теплоот- дающем теплообменнике: Wn.H-~-нРпнСп'Н- (4) ^аф^аф В качестве теплообменников в рассматриваемых системах утилиза- ции рекомендуется использовать калориферы КСкЗ и КСк4 с теплооб- менными элементами из биметаллических накатных' оребренных тру- бок. Коэффициенты теплопередачи К, Вт/(м2 °C), для этих калори- феров вычисляются по следующим опытным формулам: - для калориферов КСкЗ из трех рядов оребренных трубок К = 29 (Vp)M55wo,i4; (5) - для калориферов КСк4 из четырех рядов оребренных трубок К = 25,2 (Vp)0’515 w°>17. (6) Аэродинамическое сопротивление этих калориферов ДР, Па, вы- числяется по следующим опытным формулам: для калориферов КСкЗ __ _ _ _ = 7,4 (Vpy>7rZ, (7) для калориферов КСк4 Ч ЛР - 8,94 (Vp)1-7'Z. Здесь (Vp) - массовая? скорость набегающего потока воздуха (произведение скорости воздуха на его плотность во фронтальном се- чении теплообменника), кг/(м2 с); w - скорость жидкости в трубках, м/с; Z - число калориферов одинакового типа по ходу воздуха. Для избежания уноса сконденсированной влаги с оребренных тру- бок и предотвращения высоких аэродинамических сопротивлении ре- комендуется значения массовой скорости воздуха во фронтальном се- чении не принимать более 2,5 кг/(м2 с). Наличие конденсата на ореб- ренной поверхности приводит к повышению аэродинамического со- противления, что учитывается дополнительным коэффициентом 1,35. Скорость антифриза в трубках рекомендуется ограничить условиями начала развитого турбулентного режима течения, который обеспечи- вается при скоростях 0,5...1,2 м/с. Теплоизвлекающие теплообменники в потоке вытяжного воздуха, как правило, используются в режимах одновременного охлаждения и осушения вытяжного воздуха, что позволяет обеспечить извлечение большего количества теплоты. Процесс осушки вытяжного воздуха со- провождается выпадением конденсата, который будет замерзать, если температура оребренной поверхности будет ниже 0°С. В пенях устра- нения обмерзания рекомендуется выбирать такие режимы функциони- рования тепл оизвл екающего теплообметшика, при которых на боль- шей части наружной оребренной поверхности поддерживается поло- жительная температура. В качестве контрольного значения для реали- 5
зации этого условия предлагается расчет режимов охлаждения и осу- шения в теплоизвлекающем теплообменнике производить направлен- ным на минимальную среднюю температуру оребренной поверхности t{MMH = ЭОС. Удаляемый вытяжной воздух, как правило, имеет температуру точ- ки росы более 2°С, и поэтому при поддержании на оребренной по- верхности теплоизвлекающего теплообменника средней температуры цмин — 24; имеет место режим одновременного охлаждения и осуше- ния вытяжного воздуха. Для расчета теплоизвлекающего теплообмен- ника предлагается использовать методику замены реального режима охлаждения и осушения на условный "сухой" режим с одинаковым пе- репадом энтальпий [ 1 ]. На рис. 2 представлено построение на диаграмме влажного воздуха условно "сухого" режима охлаждения вытяжного воздуха для условий равенства средней температуры оребренной поверхности теплоизвле- кающего теплообменника минимальному допустимому значению 2°С. Последовательность построения на i-d-диа грамме: - находится точка Уь отвечающая начальной температуре tyl и эн- тальпии iyl вытяжного воздуха; - в месте пересечения изотермы 2°С с кривой ф = 100 % находится точка f, отвечающая рекомендуемой средней температуре поверхности тепло извлекающего теплообменника; - прямой линией соединяются точки У1 и f; - в зависимости от величины фу1 со следующими рекомендациями принимается величина сру2- нри фу1 > 70 % фу2 = 98 %; при фу1 от 50 до 70 % <ру2 = 92 %; при фу1 от 30 до 40 % фу2 = 88 %. В месте пересечения принятой фу2 с прямой линией У-f находится точка У2 с параметрами: температура 1у2 и энтальпия iy2; - на пересечении прямой линии df = const с линиями энтальпии iyl находится точка У'15 с температурой t'yl и с энтальпией iy2 точка У'2 с температурой t'y2 в условно "сухом" режиме охлаждения вытяжного воздуха в теплоизвлекающем теплообменнике при одинаковом перепа- де энтальпий (iyl - iy2) с реальным режимом охлаждения и осушения вытяжного воздуха, отвечающего следующему уравнению теплового баланса: Qy — Lypy (iy| - iy2) — Lypy cy (t y| - t y2), (8) Из уравнения теплового баланса (1) находился температура нагре- того в системе теплоутилизации приточного наружного воздуха ^п.нРп.н^п.н 6
Рис.2. Построение на i-d-диатрамме реального и эквивалентного условного “сухого” режимов охлаждения вытяжного воздуха в тенлоизвлекаюшем теплообменнике Если полученное значение tn2 больше или равно принятой при по- строении температуре If, то это свидетельствует о невозможности реа- лизации принятого режима теплоутилизации. Необходимо провести новые построения на i-d-диаграмме, приняв более высокие значения температур tf. Реально достижимые режимы теплоутилизации характе- ризуются численными значениями tH2 на 5...8°С меньше принимаемой температуры tf. В обычных системах вентиляции промышленных и гражданских зданий теплоты вытяжного воздуха, как правило, не хватает для нагре- ва приточного наружного воздуха до требуемой температуры притока, и характерно неравенство что обуславливает использование 7
конпевых воздухонагревателей для приточного наружного воздуха, а также применение эжекционных воздухораспределителей дня повыше- ния температуры приточного воздуха 1П. Полученные построением на i-d-диаграмме численные значения температур в условно "сухом" режиме охлаждения вытяжного воздуха позволяют проводить расчет теплоизвлекающего теплообменника по методике, аналогичной рассмотрен ной выше методике расчета для теплоотдающего теплообменника. Расход антифриза в системах теплоутилизации с промежуточным теплоносителем рекомендуется выбирать из условий сохранения поло- жительных температур на поверхности теплойзвлекающего теплооб- менника, что в обычных системах вентиляции отвечает температурным перепадам А1.,ф = 4...8°С. С учетом этих рекомендаций вычисляется расход теплоносителя - антифриза: Lvp..(ivl - iv->) Ойф = — кг/ч. (10) ^аф^аф Для предотвращения обмерзания поверхности тепло извлекающего теплообменника средняя температура антифриза выбирается с учетом средней температуры поверхности: ta4,cp = tf- 1/С. (11) Для обычных условий средняя температура антифриза 1аф ер по вы- ражению (11) составит 1аф.ср ~ 2 - 1 — 1, как это принято в построении на рис. 2. В соответствии с выбранными величинами 1аф-Ср и Ai.l(j, вычисля- ются параметры промежуточного теплоносителя - антифриза: темпера- тура теплоносителя - антифриза после нагрева в теплоизвлекающем тег гл о о бменнике Atajk 1.ф1-Чср+-уФ, (12) температура теплоносителя - антифриза после его охлаждения в тепло- отдающем теплообменнике . 1аф2=1аф.ср (^) По выражению (2) вычисляется требуемый показатель теплотехни- ческой эффективности 0tn в теплоотдающем теплообменнике. Показатель теплотехнической эффективности в условно "сухом" режиме в тепло и звл екающем 0ty теплообменнике для реализации при- нятых режимов нагрева приточного воздуха извлекаемым теплом вы- тяжного воздуха вычисляется по выражению tvi -Д? = (14) 1 yl ‘•афЗ 8
По выражению (4) вычисляются показатели отношения теплоем- костей потоков Wmi в теплоотдающем и Wy теплоизвлекающем тепло- обменниках. По графику на рис.З, заимствованному из [2, с.207, рис.VI. 10], на- ходятся требуемые численные значения критерия FonH для теплоот- дающего и Foy для тепл оизвл с кающего теплообменников для реализа- ции выбранных расчетных режимов функционирования системы ути- лизации теплоты вытяжного воздуха. Из преобразованного выражения (3) вычисляется требуемая вели- чина произведения kF, Вт/°С: kF = Fo L р с. Задавшись рациональным значением массовой скорости в фасад- ном сечении теплообменников, вычисляют требуемое фасадное сече- ние, м2: для теплоизвлекающего теплообменника lJvP' (15) (Vp)^y-36oo ’ для тепло отдающего теплообменника f — ^П.нРп.Н *"" 4vp)lK„ H 36oo ' (16) Для первого варианта расчета рекомендуется принимать массовую скорость 2 кг/(м2 с). В следующих сравнительных вариантах техниче- ских решений теплоотдающего теплообменника массовая скорость может быть увеличена до 4 кг/(м2 с), а для теплоизвлекающего тепло- обменника для избежания уноса сконденсированной влаги массовую скорость воздуха не рекомендуется принимать более 2,5 кг/(м2 с). При массовых скоростях в тсплоизвлекающем теплообменнике более 2,5 кг/(м2 с) после него необходимо устанавливать сепаратор удержа- ния уносимой воздухом влаги. По таблицам технических характеристик для калориферов КСкЗ и КСк4 [3] находятся действительные фасадные сечения одиночных или групповых по расположению калориферов, применение которых обес- печивает получение рациональных значений массовых скоростей воз- духа в фасадном сечении до 2,5 кг/(м2 • с). По действительным значе- ниям фасадных сечений теплообменников производится вычисление действительных значений массовых скоростей воздуха. Задавшись скоростью жидкости 1 м/с, по формулам (5) или (6) вычисляют достигаемые величины коэффициентов теплопередачи К в теплоизвлекающем и теплоотдающем теплообменниках в режимах, протекающих без изменения влагосодержания обрабатываемого возду- ха. 9
Рис.З, Графическая зависимость для показателя теплотехнической эффективности при противоточной схеме движения воздуха и жидкости 10
По данным проведенных выше расчетов вычисляют требуемые ве- личины поверхностей теплообменников, и2! F = ^F- (17) к По техническим данным калориферов КСк 3 и КСк 4 [3] находят возможные конструктивные решения сборки калориферов по глубине, обеспечивающие получение требуемой поверхности F теплообменни- ков. Необходимо выбирать такие конструктивные решения, при кото- рых запас в поверхности теплообменников не превышает 10-15 %. Для выбранного конструктивного решения установки по таблицам технических данных [3] находят сечения для прохода жидкости по трубкам. Принимается противоточная схема движения жидкости но теплообменникам по отношению к потоку воздуха. Обвязка трубопро- водами группы калориферов выбирается таким образом, чтобы скорос- ти движения в трубках отвечали оптимальным значениям 0,5-1,2 м/с. 3. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТЕПЛОИЗВЛЕКАЮЩЕГО И ТЕПЛООТДАЮЩЕГО ТЕПЛООБМЕННИКОВ И РЕЖИМОВ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ УТИЛИЗАЦИИ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ - АНТИФРИЗОМ Заданными являются: - расход удаляемого вытяжного воздуха Ц — 18000 м3/ч; - температура удаляемого воздуха tyl = 23?!С; - энтальпия удаляемого воздуха iyl = 38 кДж/кг; - расход проточного наружного воздуха 1.И1[ = 20000 м3/ч; Расчетная температура наружного воздуха в холодный период года для г. Москвы по параметрам Б [3]: tnI = - 26°С; энтальпия 1и1 = = - 25,3 кДж/кг, В рабочей зоне актового зала поддерживается температура 20°С и относительная влажность 38%. В помещении актового зала имеют мес- то тепло- и влагоизбытки, удаление которых в холодный период кода требует подачи приточного воздуха с температурой Н^С и энтальпией 12 кДж/кг. На i-d-диаграмму (рис.4) наносятся: - точка В, отвечающая параметрам воздуха в зоне нахождения лю- дей; - точка Уь отвечающая параметрам удаляемого из верхней зоны актового зала вытяжного воздуха; - точка Ht, характеризующая параметры воздуха в расчетных усло- виях холодного периода для г. Москвы; - точка ПН, характеризующая параметры приточного наружного воздуха, обеспечивающие удаление расчетных тепло- и влагоизбытков из актового зала. 11
L, t /4 Hi у,- tyres’ b\-=3lf ~ ъп.^ Ьу^ /7 кЗж, кг b^° 7 -j6 batp.cp-1 L3&кЗзк./кг i„=-W HZ %t=-£e ^i]0/o </^00% oL^j = 0,Ц г/кг Рис.4. Построение на i-d-диаграмме расчетного режима функнионирования системы утилизации теплоты вытяжного воздуха в холодный период года при параметрах Б для климата Москвы 12
На i-d-диаграмме (см. рис.4) в соответствии с рекомендациями, данными выше, наносится тонка f, отвечающая средней температуре поверхности теплоизвлекающего теплообменника tf = 2°С. Из по- строения следует, что температура точки росы удаляемого воздуха рав- на 8,5°С и больше средней температуры поверхности теплоизвле- кающего теплообменника 2 ° С. Это свидетельствует о том, что при из- влечении теплоты из вытяжного воздуха будет иметь место процесс его охлаждения с конденсацией влаги. Определение достигаемых параметров вытяжного воздуха произ- водится построением на i-d-диаграмме, где прямой линией соединяют- ся точки и f. В месте пересечения этой прямой линии с кри- вой фу2 = 88% находится точка У2 с температурой 5°С и энтальпией 17 кДж/кг. На пересечении прямой линии df = 4,2 г/кг с энтальпиями iyI и iy2 находим точки У'^ (температура 1'у1 = 27,5°С) и У'2 (температура t'y2 = 6,5°С), отвечающие режиму условно "сухого" охлаждения вытяж- ного воздуха при одинаковом перепаде энтальпий iyi - iy2. По выражению (8) вычисляем общее количество отводимого в теп- лоизвлекающем теплообменнике от вытяжного воздуха тепла: Qy = 18000 - 1,21 (38 - 17) “ 457380 кДж/ч. По выражению (9) определяем температуру нагретого в теплоот- дающем теплообменнике приточного воздуха: 457380 л t н2 - ——-----• - 26 = -7,4 ‘С. 112 20000 4,21-1 Полученная температура tH2 = - 7,4°С меньше требуемой темпера- туры приточного наружного воздуха = 11°С. Поэтому необходимо в приточной системе предусмотреть концевой воздухонагреватель, пи- таемый горячей водой или электроэнергией. По рекомендациям, приведенным выше, перепад температур ан- тифриза принимаем Ata(^ = 6°С. В качестве антифриза используем 40%-ный водный раствор этиленгликоля с температурой замерзания - 26°С, удельной теплоемкостью саф — 3,5 кДж/(кг °C), массовой плот- ностью 1050 кг/м3. По формуле (10) вычисляем требуемый расход теплоносителя - антифриза: G ф = 457->^° = 21780 кг/ч. зф 6 3,5 По формуле (II) находим среднюю температуру антифриза: t-аф.ср = 2-1 = 1 °C. По выражению (12) определяем температуру подогретого теплоно- сителя - антифриза после теплоизвлекающего теплообменника: Чф1 =1 + - = 4°С. 13
По формуле (13) определяем температуру охлажденного теплоно- сителя - антифриза после теплоотдаюшего теплообменника: 1аф2 =1“ - = “2°С. По формуле (2) вычисляем требуемые показатели теплотехни- ческой эффективности для теплоотдающего теплообменника 0ШН=—4- — = 0,62. п 4 + 26 Из выражения (14) находим требуемый показатель теплотехни- ческой эффективности в условно "сухом" режиме охлаждения для теп- лоизвлекающего теплообменника: 27 5-6,5 , elv= • —- =о,71. ty 27,5 + 2 По формуле (4) вычисляем показатели отношения теплоемкости потоков: для тенлоотдающего теплообменника 20000-О34 21780-3,5 для теплоизвлекаюшего теплообменника 1800042L4 = у 21780-3,5 По графику на рис.З находим требуемые численные значения кри- терия Fo: - для теплоотдаюшего теплообменника Fonn — 1,16 (построение показано пунктирными линиями); - для теплоизвлекающего теплообменника Foy =7,5. Из преобразованного выражения (3) вычисляем требуемую вели- чину произведения kF; для тешюотдающего теплообменника k у_6 ЯМОД,23 4000 пн 3600 ! для теплоизвлекающего теплообменника . „ 1,5-18000-1,21 1000 о.__ р /0_ kFv v---------- - —-= 9075 Вт/и С. у 3600 ' Задаемся массовой скоростью воздуха 2 кг/(м2 • с) и находим тре- буемое фасадное сечение: для тепло отдающего теплообменника _ 20000-1,23 пи- =• 3,42 м2; 2 3600 для теплоизвлекающего теплообменника 18000 1,21 . — -------- 3 025 м2, 2-3600 с. 14
По справочнику требуемые фасадные сечения обеспечиваются применением в фасадном сечении двух калориферов КСк модели 11; Гф — 1,668 • 2 = 3,336 м2. Действительная массовая скорость воздуха в фасадном сечении вычисляется: по выражению (16) для теплоотдающего теплообменника ,,, . 20000-1,23 .. 2 . (Vp)nH ------ -- = 2,05кг/(м2 с); н 3600 3,336 по выражению (15) для те нл о извлекающего теплообменника ,v ч 18000-1,21 )Of .. 2 . (Vp)v = ---------= 1.81 кг/(м2 - с). - 3600 3,336 z Оцениваем возможность применения калориферов типа КСкЗ-11, для которых по формуле (5) вычисляем коэффициент теплопередачи при скорости жидкости в трубках 1 м/с: для тепло отдающего теплообменника К — 29 (2,09)°-455 I0’14 = 38 Вт/(м2 °C), для тепл о извлекающего теплообменника К - 29 (1,81 )0-455 I0’14 = 32 Вт/(м2 • °C). По выражению (17) вычисляем требуемые поверхности: для теплоотдающего теплообменника и? 7927 эпп 2. Рп.н — —209 М , □ О теплоизвлекающего теплообменника 1ч.Л072 = 252 М3. ’ 36 справочнику [3] находим, что применение 4 щт. калориферов для По КСкЗ-11 обеспечивает развитие наружной поверхности 68 х 4 = 272 м2. Сечение трубок в ходу для прохода жидкости в каждом калорифере 0,0026 м2. Принимаем к установке по 2 калорифера в ряду и по 2 по- следовательно по воздуху. Антифриз одновременно направляем в два калорифера, и скорость в трубках будет: 21780 Wad) =---------------—=1,1 м/с, аф 1050-3600-0,0026-2 ' что близко к предварительно принятому оптимальному значению ско- рости, и уточнений величин коэффициентов теплопередачи не делаем. Проведенный подбор схемы обвязки трубопроводами теплоизвле- кающего и тенлоотдающего теплообменников на базе калориферов ти- па КСк при их применении в системах утилизации с промежуточным теплоносителем - антифризом показал следующее: - сечение ходов калориферов для прохода жидкости мало и не от- вечает рациональным условиям обеспечения оптимальных скоростей жидкости при высоких расходах антифриза; - необходимо рационально использовать калориферы типа КСк в системах утилизации с промежуточным теплоносителем при их изго- 15
топлении двухходовыми по жидкости, что позволит в моделях калори- феров от 6 до 10 увеличить площадь сечения для прохода жидкости в три раза, а в моделях 11 и 12 - увеличить в дна раза; - использование в системах утилизации двухходовых по жидкости калориферов типа КСк позволит выполнить обвязку трубопроводов для обеспечения противоточной схемы, а также сократит гидравличе- ское сопротивление калориферов; - при реализации противоточной схемы для улучшения отвода конденсата в теплоизвлекаюшем теплообменнике холодный теплоно- ситель с температурой следует направлять в нижний последний по ходу выбросного воздуха теплообменник, где будет иметь место наибо- лее интенсивная конденсация влаги. По формуле (7) вычисляем аэродинамическое сопротивление теп- лообменников: по наружному воздуху ДРП.Н = 7,4 (2,05) -2-60 Па; по удаляемому воздуху ДРу = 7,4 (Ml)1,71 2 = 50 Па. Как видно из построения на рис.4, в теплоизвлекаюшем теплооб- меннике будет иметь место конденсация влаги, что увеличит его аэро- динамическое сопротивление. Для учета этого применим опытный ко- эффициент 1,35. Тогда действительное аэродинамическое сопротивле- ние в теплоизвлекаюшем теплообменнике составит ДР'у = 50 • 1,35 = 68 Па. Из построения на рис.4 следует, что в помещение актового зала в зону нахождения людей приточный наружный воздух должен посту- пать с температурой tnH = 11 °C. По условиям теплового комфорта температура поступающего в зону нахождения людей приточного воз- духа не должна более чем на 4°С быть ниже комфортного значения температуры воздуха в зоне обитания, которая для холодного периода года равна 20° [4]. Тогда по условиям теплового комфорта температура приточного воздуха мо'жст быть 1Г, - 20 - 4 - 16°С. Для обеспечения теплового комфорта при воздухораспределении в си- стеме приточной вентиляции используется эжекционный распреде- литель (см.рис.1), в котором благодаря смешению холодного приточ- ного воздуха (точка ПН) и эжектируемого внутреннего воздуха (гон- ка В) обеспечивается повышение температура воздуха до 16°С (точ- ка П). Применение эжекционного распределителя позволяет эконо- мить энергию на подогреве приточного воздуха. 16
4. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ВЫТЯЖНОГО ВОЗДУХА Оценку энергетической эффективности систем утилизации тепло- ты вытяжного воздуха рационально проводить путем вычисления пока- зателей тепл о преобразован ия и их сравнения для различных техниче- ских решении систем: (18) (19) п.н (20) ANHac (21) Пуг = кВт/кВт. Общие затраты электроэнергии Д-Ч\т, кВт. связанные с функцио- нированием системы утилизации, вычисляются в соответствии с при- нятыми техническими решениями системы по формулам: - затраты электроэнергии на преодоление аэродинамического со- противления теплоизвлекающего теплообменника K.APZ AN = -^_ ----------- вн‘5 3600 1000-Лвну - затраты электроэнергии на преодоление аэродинамического со- противления теплоотдающего теплообменника L АР AN - — ан-лн___________ 3600 • 1000 • Г|пн п н - затраты электроэнергии на функционирование насоса циркуля- ции теплоносителя - антифриза °афАР11ас Раф3600 Он Здесь Пвн.у» Пвн.п,’ Пнас “ КПД соответственно вытяжного и приточ- ного вентиляторов, насоса; Риас “ давление насоса на преодоление гидравлических сопротив- лений в системе, кПа. Вычислим затраты электроэнергии на функционирование системы утилизации теплоты вытяжного воздуха, конструктивные элементы и Показатели работы которой определены по расчетам в разд.З. По формуле (19) определяем затраты электроэнергии на преодоле- ние аэродинамического сопротивления теплоизвлекающего теплооб- менника ДХ1 18000-68 „ ANBHV=-—------------= 0,52 кВт. вну 3600-1000-0,65 По формуле (20) вычисляем затраты на преодоление аэродинами- ческого сопротивления теплоотдающего теплообменника АХ1 20000-60 D ANBHnH =-----------= 0.52 кВт. внпн 3600-1000-0,65 17
По формуле (21) рассчитаны затраты на преодоление гидравличе- ского сопротивления в 120 кПа при перемещении насосом антифриза: ДХ1 21780-120 |п _ ДЫпас =----------- -1.2 кВт. 11 ас 1050 3600 0,6 Суммарные затраты электроэнергии: XNyr = 0,52 + 0,52 + 1,2 - 2,24 кВт. По формуле (18) вычисляем показатель энергетической эффектив- ности применения системы утилизации теплоты вытяжного воздуха при расчетном извлечении теплоты: Qy = 457380 кДж/ч — 127 кВт: 127 п ri . . =- = 56,7. 1ут 2,24 Полученная величина показателя энергетической эффективности более чем на порядок выше по сравнению с величиной показателя энергетической эффективности при использовании холодильных ма- шин в режиме теплового насоса, что говорит о высокой энергети- ческой целесообразности применения систем утилизации теплоты вы- тяжного воздуха с насосной циркуляцией промежуточного теплоноси- теля - антифриза. Для выбора рационального конструктивного решения системы утилизации следует провести сравнение по энергетическим показате- лям нескольких возможных конструктивных решений теплоизвле- кающего и теплоотдающего теплообменников и режимов их работы. 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА ДЛЯ КОСВЕННОГО ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИТОЧНОГО НАРУЖНОГО ВОЗДУХА На рис.5 представлена принципиальная схема использования си- стемы утилизации для охлаждения приточного наружного воздуха в теплый период года. Путем автоматического (или ручного) закрытия соленоидных вентилей 1 и открытия соленоидных вентилей 2 произво- дится отключение от системы утилизации теплоизвлекающего тепло- обменника 3 в потоке, вытяжного воздуха и включение в систему ути- лизации градирни 4 с орошаемым трубчатым теплообменником 5. Тсп- лоотдающий теплообменник 6 в приточном агрегате в этом режиме использования системы утилизации становится охладительным тепло- обменником 6, соединенным через насос 7 и трубопроводы 8 с оро- шаемым трубчатым теплообменником 5. В теплый период года требуется охлаждать приточный наружный воздух Е-||.н. Использование режимов косвенного испарительного охлаждения позволяет значительно (до 4-х раз) сократить расходы электроэнергии на охлаждение по сравнению с использованием холо- 18
дильных машин. Поэтому энергетически целесообразно использовать систему утилизации в теплый период года в качестве средства для ре- жимов косвенного испарительного охлаждения приточного наружного воздуха. Для реализации этого в систему утилизации включается а жи- рат для испарительного охлажденияантифриза Оаф, циркулирующего в системе утилизации от работы насдса. 7 (см.рис.5) по соединитель- ным трубопроводам 8. При открытых со^ноидных вентилях 2 анти- фриз с температурой поступает в трубчатый теплообменник, кото- рый орошается рециркуляционной водой от работы насоса 9 градирни 4, а вентилятор градирни 4 продувает орошаемый трубчатый теплооб- менник 5 наружным воздухом с температурой по мокрому термо- метру tMH1, принять которую стремится орошаемая рециркуляционная вода. Если бы в теплообменнике 5 не проходил в трубках нагревшийся антифриз, то температура рециркулирующей, орошающей трубки теп- лообменника 5 воды была бы равна начальной температуре наружного воздуха но мокрому термометру tMH1. В режимах охлаждения приточ- ного наружного воздуха в теплообменнике 6 происходит нагрев анти- фриза и его температура становится выше tM H) . Подогретый анти- фриз Оаф поступает в трубки теплообменника 5 и через стенки трубок отдает тепло пленке орошающей воды. Для теплообменника 5 и гра- дирни 4 справедливо следующее уравнение теплового баланса: саф Саф2 “ ^аф1) — Рн Gh2 “ *н1)- Охлажденный антифриз с температурой t поступает в трубки теплообменника 6, через который от работы приточного вентилятора проходит приточный наружный воздух Ln[I с более высокой начальной температурой t^, что обусловит его охлаждение, и для теплообменника 6 характерно следующее уравнение теплового баланса: I-TI.H Рп.н сп.л (tj<l ~ ^н2) — ^*аф саф (^аф2 ' Цф1)- (22) В условиях' стационарного режима и пренебрежимо малых прито- ков тепла от окружающих систему утилизации источников в режимах косвенного испарительного охлаждения будет иметь место следующий баланс тепла: Lrr.H Рп.н ^п.н (1-н1 “ Цтз) Рн Сн2 _ 1н1)- Теплотехническую эффективность режимов испарительного охлаждения антифриза в орошаемом теплообменнике оцениваем через показатель вида: е,.ф = ‘афг 74' (23) *-аф2 4ih1 Численное значение показателей эффективности 01аф находим по каталогам на конкретное оборудование. Для предварительных расчетов можно принять численное значение ()иф — 0,5...0,53, что отвечает со- временным конструкциям градирни с орошаемыми теплообменниками. 19
Рис.5. Принципиальная схема использования в теплый период года системы утилизации для косвенного испарительного охлаждения приточного наружного воздуха н На рис.6 представлено построение на диаграмме влажного воздуха режима работы системы утилизации в теплый период года при пара- метрах Б для г. Москвы [3]. Расход приточного наружного воздуха и конструкция теплообменника 6 (см.рис.5) отвечают условиям расчета в разд.З. В расчетных условиях теплого периода года параметры наружного воздуха по Б (4] следующие: температура 28,5°С, энтальпия 54 кДж/кг, 20
температура по мокрому термометру 19°С. Можно ожидать в градирне с орошаемым теплообменником понижения температуры антифриза на 1,5°C по сравнению с температурой наружного воздуха по мокрому термометру: Цлф! — + 1,5 ОС или для рассматриваемого примера: 1аф1 = 19 + 1,5 = 20,5 °C. По данным расчета режимов нагрева показатель теплотехнической эффективности теплообменника в приточном агрегате 0tnH — 0,62. В режиме охлаждения притотгного наружного воздуха показатель тепло- технической эффективности имеет вид ^п,н! tn,H2 1я.н 41.н! 1аф1 Рис.6. Построение на i-d-диаграмме расчетного режима использования систе- мы утилизации в теплый период года для климата Москвы: Hi - lb - режим косвенного испарительного охлаждения приточного наружного воздуха 21
Из преобразованного выражения (24) может быть вычислена неиз- вестная температура охлажденного приточного наружного воздуха, °C: Чън2 “ ^п.н1 " ®tn,H (Цгн! “ ^аф1) или для рассматриваемого примера: W = 28,5 - 0,62 (28,5 - 20,5) = 23,5 °C. Количество отводимого от приточного наружного воздуха тепла в режиме косвенного испарительного охлаждения вычисляется по фор- муле Qn.H.K.H ЦьН Рп.Н СЦ.Н (1-П.Н1 Цьнз)- Для рассматриваемого примера Qn.n.K.H= 20000 1,2 1(28,5 - 23,5) = 120000 кДж/ч или в кВт: ~ 120000 „„ п Qn н к и = -- = 33 КИТ. '«п.и.к.и 3600 В системе утилизации, выбранной для холодного периода года, на- сос обеспечивает расход антифриза 21780 кг/ч. В режиме теплого пе- риода года средняя температура этиленгликоля 22 °C и удельная теп- лоемкость 3,58 кДж/(кг -°C). Гидравлическое сопротивление сети си- стемы утилизации в режиме теплого периода года примерно одинаково с этими показателями в режиме холодного периода, производитель- ность по рециркулирующему антифризу одинакова. Вычислим перепад температур по антифризу в соответствии с уравнением теплового ба- ланса (22): ЛМ - ~ : афсаф или для рассматриваемого примера: 120000 Alo.h — 41 21780-3,58 1,54 °C. Температура подогреваемого антифриза вычисляется по формуле: ^аф2 Чф1 А1аф или для рассматриваемого примера: Цф2 = 20,5 + 1,54 = 22,04 °C, Вычисляем по выражению (23) требуемую эффективность испари- тельного охлаждения антифриза в градирне с орошаемым трубчатым тегшообменником: 22,04 - 20,5 ' 22,04-19 -0,51 В соответствии с требуемой эффективностью выбирается конкрет- ная конструкция аппарата для косвенного испарительного охлаждения антифриза. Для рассматриваемого примера используем градирню с орошаемым теплообменником типа LSWA-20B итальянской фирмы "CCT-EVAPCO" с затратой энергетической мощности: на привод вен- 22
тилятора 4 кВт; на привод насоса рециркуляции орошающей воды 1,1 кВт. Оценку энергетической эффективности режимов косвенного испа- рительного охлаждения приточного наружного воздуха проводим путем вычисления показателя Пк.и кВт/кВт. (25) Суммарные затраты электроэнергии в рассматриваемых режимах косвенного испарительного охлаждения слагаются из следующих со- ставляющих: Л^вк.пн _ затраты электроэнергии на преодоление аэродинамиче- ского сопротивления в приточном агрегате; для нашего случая равны затратам, полученным по расчету для режима нагрева и составляют 0,52 кВт. NHac ~ затраты на работу насоса для циркуляции антифриза; оди- наковы с расчетом для режима нагрева и равны 1,2 кВт. NBH гр - затраты на работу вентилятора для перемещения наружно- го воздуха через градирню; в подобранной выше градирне 4 кВт. NHac.rp _ затраты на работу насоса рециркуляции орошающей воды в градирне; для подобранной выше градирни 1,1 кВт. Общие затраты электроэнергии составят: = 0,52 + 1,2 + 4 + 1,1 = 6,82 кВт. Показатель энергетической эффективности в расчетном режиме по (25) будет: 33 Пки = <йГ4-84 кВт/кВт. 0,0 Z При использовании холодильных машин для охлаждения приточ- ного воздуха показатель энергетической эффективности не более 2,6 [1]. Проведенный расчет показывает, что применение режима косвен- ного испарительного охлаждения позволяет в два раза сократить рас- ход электроэнергии по сравнению с использованием холодильных ма- шин. Представленное на рис.6 построение относится только к режиму косвенного испарительного охлаждения приточного наружного возду- ха. В зависимости от назначения системы кондиционирования воздуха (СКВ) или системы приточной вентиляции дальнейшие изменения па- раметров воздуха от точки Н2 могут производиться различными средствами. Для СКВ в административно-общественных зданиях, как правило, требуется дальнейшее понижение температуры и энталь- пии приточного наружного воздуха до параметров притока не ниже tnH = 17°С. Для подачи в помещение приточного воздуха с температу- рой 17°С рационально применить эжекционные воздухораспределите- ли, позволяющие подавать смесь приточного воздуха с температурой 23
tn = 21 °C непосредственно в зону нахождения людей. В таких СКВ расчетная потребность в холоде на охлаждение приточного наружного воздуха будет на 50 % обеспечиваться методом косвенного испаритель- ного охлаждения и 50 % от работы холодильных машин. В СКВ промышленных зданий типа цехов текстильных предприя- тий, требующих по технологии производственного процесса поддержа- ния в рабочей зоне высокой относительной влажности воздуха, рацио- нально в качестве второй ступени использовать эжекционные распре- делители-увлажнители типа ЭВУ. В аппаратах тина ЭВУ адиабатно увлажняется эжектируемый внутренний и приточный воздух. Это по- зволяет одновременно обеспечить повышение влажности и снижение температуры приточного воздуха без дополнительных затрат энергии. В этих СКВ режим косвенного испарительного охлаждения, представ- ленный на рис.6, является основным и достаточным средством пони- жения температуры и энтальпии приточного наружного воздуха. Существенным преимуществом метода косвенного испарительного охлаждения является естественное возрастание охладительной способ- ности аппаратов, представленных, например, на схеме рис.5, в услови- ях, когда температура наружного воздуха в жаркие дни превышает рас- четные значения по параметрам Б [4]. При применении в СКВ адми- нистративно-общественного здания только холодильных машин их расчетная мощность выбирается для охлаждения приточного наружно- го воздуха от начальной температуры 28,5°С по параметрам Б для Москвы до конечной температуры 16°С. В жаркие дни при повышении температуры наружного воздуха до 36°С охлаждение приточного на- ружного воздуха будет осуществляться от работы холодильных машин на тот же расчетный перепад 12°С и понижение будет от 36 до 23,5°С. В помещении температура повысится на 6-7°С, что вызывет многочис- ленные жалобы на плохую работу СКВ в жаркие дни. Устранение этого недостатка достигается применением в СКВ ме- тодов косвенного испарительного охлаждения в сочетании с концевым охлаждением от работы холодильных машин. Так, например, при по- вышении в Москве температуры наружного воздуха до 36 °C, одновре- менно снижается его влагосодержание и температура по мокрому тер- мометру будет близка .к 17,4°С. В этих условиях аппараты в схеме по рис, 5, рассчитанные выше, будут обеспечивать следующий режим охлаждения: -tn и2 - 36 0,62(36 - 20) = 26 °C; 0ки = 20 000 1,2-1 (36 - 20) = 238000 кДж/ч или _ _ 238000 ,, п Q»- 3600 = 66кВг’ -at _в_.3оС; * 21780-3,58 -t^ = 20 + 3 = 23 °C; 24
23-20 -6ta(il =--— = 0,53; аф 23-17,4 -Пки ~^^ = 9-68 кВтАВт, что в два раза выше ио сравнению с расчетным режимом. Приведенный расчет показывает, что энергетическая эффектив- ность режимов косвенного испарительного охлаждения возрастает с увеличением температуры наружного воздуха и снижением его влаж- ности. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ L - объемный расход воздуха. м3/с (м2/ч); t - температура воздуха, °C; i - энтальпия воздуха, кДж/кг; d - влагосодержание воздуха, г/кг; Ф - относительная влажность воздуха, %; р - объемная плотность, кг/м3; с - теплоемкость, кДж/(кг • °C) юш Дж/(кг °C); Ст - массовый расход жидкости, кг/с (кг/ч), к - коэффициент теплопередачи. Вт/(м2 °C); F - поверхность теплообмена, м2; (Vp) - массовая скорость воздуха, кг/(м2 с); w - скорость жидкости в трубках, м/с; 0t - показатель относительных перепадов температур; Fo - критерий Фурье для теплообменника; W - показатель отношения теплоемкостей потоков по восприятию явного тепла в теплообменнике. ИНДЕКСЫ: у - удаляемый; п.н - приточный наружный; п - приточный; в - внутренний в рабочей зоне; р - точки росы; аф - аитифрнз; Г - поверхность оребрения; цифры 1 и 2 - начальные и конечные параметры. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха.- М.; Машинострое- ние, 1978. 2. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование возду- ха и холодоснабжение. - М/. Стройиздат, 1985. 3. Справочник проектировщика. 4.2. Вентиляция. - М,: Стройиздат. 1987. 4. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондициошгрование воздуха /Минстрой России. - М.: ТП ЦПГ1, 1994. 25
ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Общие положения...........................................1 2. Методика инженерного расчета теплоизвлекающего и тсплоотдаю- щего теплообменников и режимов их работы в системе утилизации теплоты вытяжного выбросного воздуха с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя - антифриза.....................3 3, Пример расчета теплоизвлекающего и теплоотдающего теплооб- менников и режимов их функционирования в системе утилизации с промежуточным теплоносителем - антифризом..................11 4. Оценка энергетической эффективности системы утилизации вытяжного воздуха.......................................... 17 5. Использование системы утилизации в теплый период года для косвенного испарительного охлаждения приточного наружного воздуха.....................................................18 26
ПОДБОР ТЕПЛОИЗВЛЕКАЮЩЕГО И ТЕПЛООТДАЮЩЕГО ТЕПЛООБМЕННИКОВ И РЕЖИМОВ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ВЯТЯЖНОГО ВЫБРОСНОГО ВОЗДУХА С НАСОСНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ - АНТИФРИЗА Редактор А. К. Смирнова Технический редактор С.М.Сивоконева Лицензия ЛР № 020675 от 09Л2.92 г. Подписано в печать 14.07.97т. Формат 60x84 1/16 Печать офсетная И-25 Объем 1,75 пл. Т.200 Заказ //Л Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш., 26