Утилизация тепла и холода, удаляемых из зданий горячих газов и теплого воздуха

Применение и расчет рекуперативных утилизационных устройств с промежуточным теплоносителем. Наибольшую экономию тепловой энергии в СКВ и системах вентиляции можно получить при утилизации высокотемпературного (обычно производственного) сбросного тепла от печей, сушилок, плавильных агрегатов, систем охлаждения технологического оборудования. В прямоточных СКВ зданий возможно извлечение тепла из вытяжного воздуха, по возможности предварительно пропускаемого через светильники или электрооборудование с воздушным охлаждением. Температура вытяжного воздуха обычно невысока, поэтому площадь поверхности теплообменников-утилизаторов и капитальные затраты на них получаются достаточно большими. Однако неоднократно выполненные расчеты показали, что даже при сравнительно низкой температуре удаляемого воздуха утилизационные устройства окупаются всего за 2−3 года.

В теплый период года перепады температур между наружным и вытяжным воздухом значительно меньше, чем в холодный период. Применительно к климатическим условиям СССР утилизаторы рассчитывают и подбирают на холодный период, а возможную экономию холода на обработку воздуха в теплый период года определяют, исходя из заданной площади поверхности.

Утилизационное устройство с промежуточным теплоносителем (рис. 13.6, а) осуществить наиболее просто, поскольку для этого можно применить обычные воздухонагреватели общепромышленного назначения или базовые теплообменники кондиционеров.

Рис. 13.6. Принципиальная схема утилизационного устройства (а) и схемы встраивания его в кондиционер (б) и (в) (обведены штрихпунктнрной линией): 1 — теплообменники; 2 — автоматический трехходовой клапан; 3 — насос с электродвигателем; 4 — воздушный клапан; 5 — воздушный фильтр; 6 — воздухоохладители; 7 — воздухоподогреватель; 8 — вентиляторы с электродвигателями; Н.вр., Р. в, У.в., Пр. в — соответственно наружный, рециркуляционный, удаляемый и приточный воздух.

В холодный период года группа теплообменников, расположенная в потоке вытяжного воздуха, представляет собой воздухоохладительную установку, а группа теплообменников, расположенная в потоке приточного воздуха, — воздухонагревательную установку; в теплый период года функции групп меняются. Эти группы могут находиться на значительных расстояниях одна от другой, и поэтому соединительные трубопроводы должны быть теплоизолированы. Принципиально возможно создание разветвленных систем утилизации, напоминающих двухтрубные системы отопления, в которых ряд воздухоохладителей снабжает утилизируемым теплом одну воздухонагревательную установку.

Утилизационное устройство с промежуточным теплоносителем может быть выполнено и в виде секции кондиционера (рис. 13.6,6, в) и поставляться в комплекте с остальными секциями.

Скорость движения воздуха через теплообменники должна быть как можно более низкой, но экономически оправданной, поскольку с уменьшением скорости возрастает эффективность утилизационных устройств, а с ее увеличением возрастает расход энергии на перемещение воздуха. В системе соединительных трубопроводов следует предусматривать расширительный сосуд. Циркуляционный насос должен перемещать теплоноситель таким образом, чтобы поток двигался по обратной линии от группы теплообменников-воздухоохладителей к группе теплообменников-воздухонагревателей. Теплоотдачу теплообменников обычно регулируют перепуском части теплоносителя по обводному трубопроводу, соединяющему подающую и обратную линии.

Теплоносителем служат водные растворы солей натрия, магния, кальция, этиленгликоля, пропиленгликоля.

Многочисленные исследования, выполненные в ряде стран и в СССР, показали, что оптимальное соотношение между произведениями расходов на теплоемкость промежуточного теплоносителя и удаляемого воздуха лежит в пределах 1? W_т? W_у? i2. В. Н. Богословский, М. Я. Поз и В. И. Сенатова [1] рекомендуют принимать нижнее предельное отношение для режима сухого охлаждения, а верхнее — для режима охлаждения и осушения удаляемого воздуха в группе теплообменников-воздухоохладителей.

Утилизация тепла и холода удаляемого воздуха с помощью регенеративных теплообменников. Регенеративные теплообменники бывают двух видов: стационарные переключаемые и вращающиеся. Стационарные теплообменники выполняют в виде насадок из металлической стружки, гравия, щебня, которые попеременно переключаются вручную или автоматически с режима поглощения тепла на режим его отдачи. Эти теплообменники широкого распространения не получили в основном вследствие своей громоздкости и трудности обеспечения необходимой герметичности переключаемых воздушных клапанов.

Рис. 13.10. Принципиальная схема вращающегося регенератора: 1 — приточный вентилятор с электродвигателем; 2 — продувочный шлюз; 3 — ротор с насадкой; 4 — вытяжной вентилятор с электродвигателем.

Вращающиеся регенеративные теплообменники (рис. 13.10) выполняют в виде плоского цилиндра-насадки, разделенного на секторы, заполненные гладкими или гофрированными металлическими, или пластмассовыми листами, сетками, металлической ватой или стружкой. Роторы так называемых энтальпийных (отдающих как явное, так и скрытое тепло) теплообменников изготовляют из тонколистового асбеста, картона, бумаги, целлюлозы, обработанных в растворе хлористого лития. Корпус теплообменника разделен на три части: через одну проходит теплый воздух, через другую — холодный нагреваемый воздух, а третья часть представляет собой продувочный шлюз для удаления некоторого количества загрязненного воздуха, увлекаемого массой насадки. Движение теплообменивающихся потоков организуют так, чтобы теплообмен происходил при противотоке. Ротор вращается со скоростью 5−20 мин^-1, и теплопередающая масса, проходя через поток удаляемого воздуха, воспринимает тепло или холод, а затем отдает их, проходя через поток наружного воздуха. Края ротора прилегают к уплотнениям в корпусе, которые разделяют воздушные потоки с различной температурой.

По сравнению с рекуперативными вращающиеся регенеративные теплообменники обладают большей компактностью, меньшим аэродинамическим сопротивлением, меньшей металлоемкостью, и, кроме того, отсутствует необходимость непрерывного удаления конденсата. Основными недостатками этих теплообменников являются:

перетекание загрязненного воздуха через уплотнения при вращении ротора (несмотря на работу продувочного шлюза, перетекание составляет 0.07−2%), вследствие чего они считаются непригодными для применения в СКВ, обслуживающих чистые и стерильные помещения;

возможный перенос с перетекающим воздухом бактерий и их размножение в аккумулирующей массе насадки.

Эффективность современных вращающихся регенераторов достигает 0.9. Ее значение при всех прочих равных условиях зависит от частоты вращения ротора.

В.П. Ильин (НИИ сантехники) исследовал работу двух образцов вращающихся регенераторов при совместной передаче тепла и влаги (рис. 13.11).

Рис. 13.11. Влияние начальных параметров теплого воздуха на процессы во вращающемся регенераторе: a и б — соответственно при постоянной начальной температуре и постоянной начальной энтальпии теплого воздуха; 367−381 — номера опытов; сплошные линии — процессы охлаждения теплого воздуха; пунктирные — процессы нагревания наружного воздуха.

Одна насадка была изготовлена из алюминиевой фольги толщиной 0.15 мм с ромбическими выштамповками, а другая — из гофрированной фольги толщиной 0.2 мм. Опыты проводились в диапазоне температур от ?7 до +30°С и влагосодержании 2−25 г? кг. Температуры вращающейся насадки непрерывно замеряли.

В результате было установлено, что в исследованных пределах конденсация и испарение влаги практически не влияют на явный теплообмен и значение Е. Также, как и при сухом теплообмене, наблюдалось синусоидальное изменение температуры поверхности насадки и средняя ее температура практически не менялась.

В диапазоне температур от 0 до +35°С влага, конденсирующаяся из потока теплого воздуха, полностью испарялась в потоке нагреваемого воздуха при положительной его температуре. При температуре поверхности ниже 0 °C возможны замерзание конденсата и забивание насадки инеем, поэтому при низких наружных температурах необходим предварительный подогрев наружного воздуха в воздухонагревателе или добавление теплого рециркуляционного воздуха, допустим также частичный перепуск наружного воздуха по обводному каналу.

Экспериментальные данные В. П. Ильина подтвердились результатами аналитических расчетов, выполненных Холмбергом (Швеция).

С увеличением частоты вращения насадки от 0 до 12 мин^-1 эффективность теплообменника возрастает, а дальнейшее увеличение частоты вращения не сказывается на эффективности, что объясняется приближением изменения температуры поверхности к линейному закону, характерному для стационарного режима, наблюдаемого в рекуперативных теплообменниках.

В ТашЗНИИЭП В. П. Ильин с сотрудниками исследовал вращающийся теплообменник с насадками нерегулярной структуры — из полиэтиленовой путанки со средней толщиной волокон 0.1−0.2 мм. Эффективность регенератора оказалась равной 0,9, однако сопротивление проходу воздуха существенно возросло.

ТашЗНИИЭП разработал техническое задание на производство вращающихся регенераторов с насадками регулярной и нерегулярной структур, с диаметром ротора 2, 2.5 и 3 м, номинальной пропускной способностью по воздуху 16 000−40 000 м³? ч. Глубина насадки регулярной структуры 0.24 м, нерегулярной структуры 0.2 м; эффективность соответственно 0.72 и 0.67; аэродинамическое сопротивление 150 и 250 Па. Образцы регенераторов действуют на двух предприятиях (в Ташкенте и в Ленинграде).