CC BY
7Экспериментальные исследования воздушного отопления канального типа с принудительной вентиляцией
СО CS
о
CS
о ш m
X
3
<
m О X X
Кущев Иван Евгеньевич
д.т.н., профессор кафедры ПГС Рязанского института (филиала), ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет»,
Денискина Нина Владимировна
магистрант кафедры ПГС Рязанского института (филиала), ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет», ninelvd@mail.ru
Статья посвящена изучению воздушного отопления с применением принудительной механической вентиляции в двухкомнатных модулях. Определению и сравнению величин температуры в определенных зонах помещений зависимости от движения воздуха. Регулирование траектории воздушных потоков путем открытия и закрытия канальных клапанов. А также рекуперации в теплообменнике. Модульные здания могут использоваться в качестве жилых помещений, строительных городков, в которых проживают рабочие, выполняющие работы на удаленных участках. Наличие системы воздушного отопления в модульных зданиях, делает такие жилые городки пригодными для временного проживания в любых климатических условиях. Система воздушного отопления обладает рядом преимуществ: быстрый прогрев помещений и легкость регулировки температуры воздуха определённых зон в пределах одного помещения, высокая производительность (до 92%), безопасность (отсутствие возможной заморозки или протечки теплоносителя), экономичность. (низкое энергопотребление при высоком КПД, отсутствие труб, радиаторов, фитингов), возможность подключения к климатической системе контроля, что позволяет создавать оптимальный микроклимат в помещениях, надежность и простота в эксплуатации, долговечность, отсутствие конденсата за счет равномерного распределения теплого воздуха по всему помещению, быстрая окупаемость при доступной цене. Ключевые слова: вентиляция, теплообмен, рекуперация, воздушное отопление.
В современных условиях экономии энергетических ресурсов особое место отводится рациональному использованию энергии в воздушных потоках, которые были использованы в производственной и бытовой сферах. Огромное внимание этому вопросу было уделено в трудах советских и российских учёных Берглес А.Е., Васильев В.Я., Дрейцер Г.А., Зозуля Н.В., Кузма-Кичта А.Ф., Комендантов A.C., Круг Е.Д., Лобанов И.Е., Федорович Ю.А., Шкуратов И.Я. и др. Для повышения эффективности теплообмена ими были исследованы интенсификация теплообмена в закрученных кипящих потоках, интенсификации конвективного теплообмена в каналах с разнотипными турбулизаторами, интенсификации конвективного теплообмена в прямоугольных каналах с дискретными турбулизаторами, закрутки потока на конвективный теплообмен в пучках витых труб, интенсификация теплообмена в трубах за счёт искусственной тур-булизации потока [1, 2, 3, 4, 5].
Процесс воздушного отопления известен очень давно. Главным его достоинством является отсутствие возможности заморозки теплоносителя и отопительной системы, а так же быстрый запуск и выход на номинальный режим, что отсутствует на жидкостях, легкоплавких сплавах и металлах. Главным недостатком воздуха является низкая теплоёмкость 1,016 кДж/кг К, по сравнению с водой 4,180 кДж/кг К.
В основу модели лабораторной установки со сме-шанно-циркуяционным теплообменником положена одноконтурная двухкомнатная модель помещения (рис. 1). На основании 1 с нижним теплоизолятором 2. Подача тёплого воздуха с подогревом в канале 13 в комнаты производилась от вентилятора 14 воздуха по каналам 15 через нижние входы 5 в первой стене. Далее выход тёплого воздуха во 2-ю комнату шёл от верхних входов 4 по каналам 5 к нижним выходам. Попав в 1-ю комнату тёплый воздух поднимался к входам в каналы, по которым опускался до выхода 5 тёплого воздуха во 2-ю комнату, из которой потом оттягивался через каналы 6 вентилятором 7. Свежий воздух поступал через воздухозаборник 8. Далее тёплый воздух шёл через теплообменник 9 на выход из системы воздушного отопления через канал выброса тёплого воздуха 12. Вошедший холодный воздух после теплообменника подавался в нагреватель 13, замыкая таким образом процесс обогрева комнат. Задание направлений движения тёплого воздуха производилось клапанами 11.
№ Кла- Кла- Кла- Кла- Кла- Кла- Температура, °С
п/п пан 1 пан 2 пан 3 пан 4 пан 5 пан 6 ^2 121 122
1 29,5 29,5 27 27
2 X 28,5 30,1 26,1 26,8
3 X 30,1 28,5 26,8 26,1
4 X 30,0 31,8 25,7 27
5 X 31,0 30,0 26,8 25,8
6 X 30,2 31,9 26,6 27,9
7 X 31,9 30,2 27,9 26,6
№ п/п Клапан 1 Клапан 2 Клапан 3 Клапан 4 Клапан 5 Клапан 6 Температура, °С
11-1 11-2 12-1 12-2
1 29,5 29,5 27,0 27,0
11-0 = 29,5 12-0 = 27,0
11-1 11-2 12-1 122
2 X 28,5 30,1 26,1 26,8
3 X 30,1 28,5 26,8 26,1
Первой такой упрощённой таблицей является табл. 2, с приведённым сравнением свободного движения воздуха с поочерёдным перекрытием 1-го и 2-го клапанов.
1 - основание 2 - теплоизолятор; 3 - стена-перегородка с внутренним каналом для тёплого воздуха; 4 - верхний вход в канал; 5 - нижний выход из канала; 6 - собирающий коллектор; 7 - вытяжной вентилятор; 8 - воздухозаборник холодного воздуха; 9 - теплообменник между потоками холодного и тёплого воздуха; 10 -верхнее ограждение помещений (потолок); 11 - исследовательские задвижки; 12 - канал выброса тёплого воздуха; 13 - нагреватель холодного воздуха; 14 - заборный вентилятор нагревающий воздух; 15 - подающий воздушный разветвитель горячего воздуха; 16 - термометры.
Рис. 1. Модель проекта размещения оборудования для циркуляционного воздухообмена и перемещения воздушных масс при отоплении двух комнатного помещения
В результате лабораторных экспериментов при од-ноклапанном закрытии воздушных потоков для обогрева были следующие значения определенных изменений температур в помещениях отапливаемых нагретым воздухом, которые представлены в табл. 1 и на рисунках 2^8.
Таблица 1
План проведения 1-й серии экспериментов при одном закрытом клапане.
Рис. 2. Все клапаны открыты, установка работает в установившемся режиме
Рис. 3. Закрыт 1-й клапан
Рис. 4. Закрыт 2-й клапан
Соответственно графически изменения температуры можно представить на рисунках 5 и 6 с небольшой кусочно-нелинейной аппроксимацией, которая показывает практика, для большего значения каналов и клапанов требует дополнительных исследований.
Т, °С
Отследить какую-либо закономерность, даже по такому малому массиву значений изменения температуры, чрезвычайно сложно. Поэтому эксперименты были разбиты на ещё более мелкие группы, объединённые в таблицы четвёртых частей помещений (т.к. температура измерялась только в центре четвёртых частей объёмов двух комнат), по которым строились более простые графики, где сравнение проводилось при заданном закрытии заслонок с движением тёплого воздуха без заслонок. Причём в качестве серединной нулевой точки бралась температура середины температур при всех открытых клапанах для первой и второй комнат.
Таблица 2
Изменение температуры в комнатах при поочерёдном перекрытии 1-го и 2-го клапанов.
32 31
30 29 28 27 26 25 24 23 22
а
29 Г 30.1
28 У
б 27.0
26.8
26.1
I I
О
ГО
>
с
I
го т
о
11.111.о Ъ-з №, терм. 12-1 12-о Хг-г №, терм.
а - температуры б - температуры 12-1, Ь_0, Ь_2. Рис. 5. Закрыт 1 клапан
м о м со
T, °G 32
31
30 29 28 27 26 25 24 23 22
L
a
X. 30.1 29,5
<28,5
б 26,8 27,0
26,1
ti-i ti-tz-i t:
0 tl-2 №, о tz-2 №,
терм, терм.
OI 1= Клапан 1 Клапан 2 Клапан 3 Клапан 4 Клапан 5 Клапан 6 Температура, °С
ti-i ti-2 t2-i t2-2
1 29,5 29,5 27,0 27,0
2 ti-o = 29,5 t2-0 = 27,0
3 ti-i ti-2 t2-i t2-2
4 X 30,0 3i,8 25,7 27,0
5 X 3i,0 30,0 26,8 25,8
T, °C, 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22
a 31.0
30.0
6 27.0
27.0
25.7
а - температуры t1-0, t1-2; б - температуры t2-0, t2-2. Рис. 6. Закрыт 2 клапан
Но главным результатом этого эксперимента явилось стабильная неоднородность нагрева воздуха в комнатах. Причём, если в первой комнате температура воздуха, как бы перекашивалась в сторону канала движения, что в общем понятно, то второй она давала экстремальный максимум по отношению к свободному движению со всеми открытыми клапанами.
Следующей рассматриваемой группой будет перекрытие клапанов 3 и 4 в центральной перегородке приведённое в табл. 3 и сравнительных графиках (рис. 2.4 и рис. 7, 8, 9 и 10).
Таблица 3
Изменение температуры в комнатах при поочерёдном пере-
ti-i toi tu №, терм.
t:-i to2 tu №, терм.
а - температуры ti-i, toi, ti-i; б - температуры t2-i, to2, t2-2. Рис. 9. Закрыт 3 клапан
T, °C, 32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
a 4jl,8
oo > 30.0
.....< i......
6 27,0
26.8 25.7
ti-i toi tu №, терм, ta-i ta ti2 №, терм.
а - температуры ti-i, toi, ti-i; б - температуры t2-i, to2, t2-2. Рис. i0. Закрыт 4 клапан
«о în о
ÎN
О ш m
<
m
о
Рис. 7. Закрыт 3-й клапан
Рис. 8. Закрыт 4-й клапан
В отличие от закрытия входных клапанов 1-й комнаты, закрытие клапанов на перегородке, приводит к тому, что температура в первой комнате экстремально возрастает по отношению к свободному движению, что свидетельствует о снижении скорости прохождения воздуха через первую комнату. В то же время во второй комнате температура на линии канала движения тёплого воздуха остаётся практически постоянной, но в стороне от него на второй точке измерения начинает снижаться, что свидетельствует о возрастании скорости потока теплого воздуха, и он не успевает равномерно прогреть 2-ю комнату, вытягиваясь вытяжным вентилятором в теплообменник, снижая таким образом, эффективность использования теплоты.
Последней рассматриваемой группой перекрытия по одному клапану в отапливаемых помещениях будет клапанов 6 и 7 в выходной стенке 2-й комнаты, приведённое в табл. 4 и сравнительных графиках (рис. 2 и рис. 11, 12, 13 и 14).
Таблица 4
Изменение температуры в комнатах при поочерёдном пере крытием 5-го и 6-го клапанов.
№ п/п
Клапан 1
Клапан 2
Клапан 3
Клапан 4
Клапан 5
Клапан 6
to
Температура, _ °С
29,5
ti-i
30,2
31,9
to2
29,5
ti-2
31,9
30,2
t2-1
27,0
t2-1
26,6
27,9
t2-2
27,0
t2-2
27,9
26,6
31
30 29 28 27 26 25 24 23 22
И
29.5
27.
- 26.6
31.9
27,9
ti-i toi tu №, терм. Î2-1 to2 ti2 №, терм.
а - температуры t1_1, t01, tu; б - температуры t2-1, t02, t22. Рис. 13. Закрыт 5 клапан
T, °C 32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
3 10-5
-31.9
- 29,5 -
27.9
30,2
Рис. 12. Закрыт 6-й клапан
Предварительно из схем на рис. 11 и 12 видно, что второй комнате образуется воздушный «затор», хотя и работает вытяжной вентилятор, который поднимает температуру выше номинала на канале движения воздушного потока. Температура в стороне от воздушного канала несколько ниже номинала (27°С), однако средняя температура по комнате всё равно оказывается выше при одном закрытом заднем клапане 5 или 6 (27,2°С), чем при всех от крытых клапанах (27,0°С).
И хотя по внешнему виду графики в зоне исследования могут описаны линейными уравнениями, на самом деле точки определения максимальной температуры буду экстремумами, от которых строится кривая нормального распределения Гаусса.
Т, °С 32
ti-i toi tu №,терм.
Î2-1 to2 tl2 №, терм.
а - температуры t1-1, t01, t11; б - температуры t2-1, t02, t22. Рис. 14. закрыт 6 клапан
Делая общий анализ схем и графиков, видно, что при всех открытых клапанах воздух свободно проходит через обе комнаты, имеющие симметричный нагрев, теряя при проходе через стеновые каналы 2,5°С. При этом средняя температура первой комнаты 29,5°С, а второй - 27,0°С.
При первой манипуляция с тепловыми каналами, когда поочерёдно перекрываются входные каналы от заборного вентилятора нагревающего воздух. Как видно из упрощённой схемы движения воздушных потоков, они смещаются в сторону открытых каналов, и в этих смещениях температура на 1,6°С выше, чем в зоне прикрытой клапаном, при этом средняя температура первой комнаты составила 29,3°С. Но кроме этого, аналогичное смещение, но несколько меньшее по величине (0,7°С), наблюдается и во второй комнате, при средней температуре - 26,3°С. Следует отметить, что поперечная средняя разница температур в первой комнате составляет 1,4°С, а во второй - 0,7°С . Температуры во второй комнате при закрыты первых клапанах 0,5°С ниже по сравнению со схемой при всех открытых клапанах.
Вторая манипуляция связана с перекрыванием клапанов в канальной перегородке между 1-й и 2-й комнатами. Здесь температура в первой комнате несколько возрастает (среднее возрастание по отношению к свободному движению воздуха 0,8°С), но при этом образуется поперечная разница между точками измерения в первой комнате 1,4°С. Также в первой комнате наблюдалось превышение средней температуры по сравнению со свободным прямоточным движением тёплого воздуха 1,2°С. Во второй комнате средняя температура составляет 26,3°С, что 0,7°С ниже по сравнению со свободным движением воздуха. Кроме того, поперечная разница составляет 1,15°С. Анализ данных по второй манипуляции с перекрыванием клапанов на канальной перегородке позволяет локально получить во второй комнате температуру, как при свободном движении воздуха, в тоже время можно получить локальное снижение на 1,25°С.
Третья манипуляция, связанная с перекрытием клапанами выходных каналов в дальней стенке перед собирающим коллектором вытяжного вентилятора, показала, скорость воздушного потока резко снижается, так как температура в обеих комнатах растёт, так в первой комнате средняя температура составила 31,05°С, при
I I О
ш >
J=
I
ш m
С
2 о ю
Са)
1
6
X
7
X
поперечной разнице 1,7°С и превышала первоначальный вариант на 1,55°С. Во второй комнате при перекрытии 5 или 6 клапанов средняя температура превысила первоначальную на 0,25°С, при поперечной разнице 1,3°С. В данном случае изменение температуры воздуха служит косвенным показателем теплообменных процессов, происходящих в отапливаемых комнатах, в частности скорости воздушного обмена и скорости движения воздуха в целом по комнатам.
Литература
1. Берглес А.Е. Интенсификация теплообмена в закрученных кипящих потоках [Текст]. Ч. 3 / А.Е. Берглес, А.Ф. Круг, Ю.А. Кузма-Кичта, A.C. Комендантов, Е.Д. Федорович // Тепловые процессы в технике. - 2010. - Т. 2. -№ 10.-С. 442-460.
2. Васильев В.Я. Апробация формально одинаково выстроенных параметров влияния на процесс рациональной интенсификации конвективного теплообмена в каналах с разнотипными турбулизаторами [Текст] / В.Я. Васильев // Международная отраслевая научная конференция профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета, посвящённая 80-летию основания Астраханского государственного технического университета - АГТУ (54 1111С). 19-23 апреля 2010 г., Астрахань: тезисы докладов. - Отпечатано в АГТУ. - С. 87-88.
3. Васильев В.Я. Закономерности развития процесса рациональной интенсификации конвективного теплообмена в прямоугольных каналах с дискретными турбулизаторами [Текст] / В.Я. Васильев // Вестник Аст-рахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - Приложение к № 6 (35). - С. 14-31.
4. Дзюбенко Б.В. Влияние закрутки потока на конвективный теплообмен в пучках витых труб [Электронный ресурс] / Б.В. Дзюбенко // Сб. науч. тр. V Минского международного форума по тепло- и массообмену. -Минск. - 2004, 9 с.
5. Дрейцер Г.А. Предельная интенсификация теплообмена в трубах за счёт искусственной турбулизации потока [Текст] / Г.А. Дрейцер, И.Е. Лобанов //ИФЖ. -2003. - Т. 76. - № 1. - С. 46-51.
Experimental studies of duct type air heating with forced ventilation Kushchev I.E., Deniskina N.V.
Ryazan Institute (branch) of Moscow Polytechnic University JEL classification: L61, L74, R53
The article is devoted to the study of air heating with the use of forced mechanical ventilation in two-room modules. Determination and comparison of temperature values in certain areas of premises depending on air movement. Regulation of the air flow trajectory by opening and closing channel valves. As well as recovery in the heat exchanger. Modular buildings can be used as living quarters, construction camps, where workers who perform work on remote sites live. The presence of an air heating system in modular buildings makes such residential towns suitable for temporary residence in any climatic conditions. The air heating system has a number of advantages: rapid heating of rooms and ease of adjusting the air temperature of certain zones within one room, high productivity (up to 92%), safety (no possible freezing or leakage of coolant), economy. (low energy consumption with high efficiency, no pipes, radiators, fittings), the ability to connect to a climate control system, which allows you to create an optimal indoor climate, reliability and ease of operation, durability, no condensation due to the uniform distribution of warm air throughout the room, quick payback at an affordable price.
Keywords: ventilation, heat exchange, recovery, air heating.
References
1. Bergless A.Well. Heat exchange intensification in the swirling, boiling stream [text]. H. 3 / A.Well. Bergless, A.F. Krug, Yu.A. Kuzma-Kichta, Apostille.C. Kommandantov, E.D. Fedorovich / / Teplov. - 2010. - T. 2. -№ 10.- S. 442-460.
2. Vasilyev V.Ja. Approbation formalally odinovo in urgandstroen urgandh parametric influences of process rational intensification convective heat exchange in channels with heterotypic urgand turbulizers [text] / C.Ja. Vasiliev / / international sectoral scientific conference professorships and lecturers of the Astrakhan State University of technology, dedicated 80-Letty grounds of the Astrakhan State University of technology - AGTU (54 1111C). 19-23 April 2010, Astrakhan: theses. - Printed in AGTU. - S. 87-88.
3. Vasilyev V.Ja. Regularities of the development of the process of rational intensification convective heat exchange in the direct-to-the-public Urgench channel with discrete Urgench turbulizers [text] / C.Ja. Vasiliev / / Astrakhan Newspaper. Goss. tech. UN-Ta. - 2006. - Annex K. 6 (35). - S. 14-31.
4. Dzyubenko B.V. Influence of the flow of convective urgent heat exchange
in puchkah Vit Urgant Trub /B.V. Dzyubenko / / SB. learned. TR.....Minsk
International Forum on teplo-and mass exchange. - Minsk. - 2004, 9 p.
5. Drazer G.A. Thermal exchange rate in Trubach for significant turbulence flow [text] / d.A. Dreitzer, I.Well. Lobanov / / IFJ. - 2003. - T. 76. - № 1. -S. 46-51.
fO CS
о
CS
о ш m
X
3
<
m О X X
