ЭНЕРГОРЕСУРСОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕПЛОВАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ГАЗИФИЦИРОВАННЫХ КУХОНЬ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ИНЖЕНЕРНЫЕ СЕТИ

УДК 697:721.011.25

ЭНЕРГОРЕСУРСОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕПЛОВАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ГАЗИФИЦИРОВАННЫХ КУХОНЬ

канд. техн. наук, доц. В.И. ЛИПКО;

О.Н. ШИРОКОВА; А. С. ЛАПЕЗО (Полоцкий государственный университет)

Представлены результаты исследований вентиляции газифицированных кухонь, предназначенные для создания воздухообменного процесса внутри жилых зданий с функцией подогрева приточного вентиляционного воздуха с использованием теплоты уходящих газов. Проанализированы и обобщены результаты полученных данных теоретических исследований по математическому моделированию тепломас-сообменных процессов устройства тепловой вентиляции газифицированных кухонь и данных, полученных при проведении экспериментальных исследований для оценки эффективности утилизации тепловых выбросов от бытовой газовой плиты для предварительного подогрева приточного вентиляционного воздуха.

Ключевые слова: микроклимат, энергоресурсосбережение, воздухоснабжение, газоснабжение, теплоснабжение, рекуперация, утилизация, модернизация, инновации.

Несовершенство технологии использования топливно-энергетических ресурсов в градостроительной отрасли и коммунально-бытовом секторе экономики, потребляющих более трети всех видов твердого, жидкого и газообразного топлива и электроэнергии, является обременительным для всего народнохозяйственного комплекса Республики Беларусь, импортирующей большую их часть, что значительно повышает энергоемкость валового национального продукта и существенно снижает конкурентоспособность производимой продукции. В связи с этим дальнейшее совершенствование инженерных систем теплогазо-снабжения и воздухоснабжения зданий с наружными ограждениями повышенной теплозащиты и герметичности, направляемых на энергоресурсосбережение в условиях комфортного проживания, является одним из важнейших направлений государственных программ научных исследований Республики Беларусь.

Основная часть. Для обеспечения комфортных условий проживания, отвечающих современным санитарно-гигиеническим требованиям к качеству воздушной среды внутри отапливаемых и вентилируемых помещений, необходим комплексный подход к решению сложнейших научно-технических проблем, таких как:

- обеспечение нормативного воздухообмена с естественной вентиляцией за счет инфильтрации в условиях практически полной герметизации наружных ограждающих конструкций;

- улучшение качества микроклимата, снижение загазованности и переувлажнения в условиях открыто сжигаемого природного и сжиженного газа с выделением вредных веществ непосредственно внутрь жилых помещений;

- перерасход газообразного топлива из-за несовершенства конструктивно-технологического исполнения бытовых газовых плит;

- отсутствие использования теплоты продуктов сжигания газа бытовых газовых плит в теплоутилизационных устройствах перед выбросом в атмосферу для предварительного подогрева приточного вентиляционного воздуха, снижающего нагрузку на систему отопления от внешних энергоисточников.

Для успешной реализации этих проблем предлагается к внедрению инновационная разработка Полоцкого государственного университета многофункциональной бытовой газовой плиты с широкими экологически безопасными энергоресурсоэффективными возможностями ее использования, подтвержденными патентами Республики Беларусь [1; 2].

На основании результатов использования многофункциональных бытовых газовых плит данной конструкции разработано устройство тепловой вентиляции газифицированных кухонь, предназначенной для создания воздухообменного процесса внутри жилых зданий с функцией подогрева приточного вентиляционного воздуха, изображенной схематично на рисунке 1 и состоящей: из воздухозаборной решетки 1, воздушного фильтра 2, приточного вентиляционного теплоизолированного воздуховода 3, входного патрубка 4, клинообразного воздухораспределителя 5 с кольцевыми отверстиями 6 со стороны теплообменной камеры 7 кожухотрубного теплообменника 8, клинообразного воздухосборника 9 с кольцевыми отверстиями 10 со стороны теплообменной камеры 7, приточного патрубка 11 и регулируемой жа-люзийной решетки 12 образующих нагревательный контур кожухотрубного теплообменника 8, теплооб-менных трубок 15, расположенных в теплообменной камере 7 и соединяющих приемную камеру 14

с верхним клинообразным воздухосборником 16, присоединенным через выходной патрубок 17 к вытяжной системе вентиляции здания 18.

Рисунок 1. - Схема тепловой вентиляции газифицированных кухонь

Кожухотрубный теплообменник 7 габаритами 0,5*0,1x2,5 (рисунок 2) устанавливается в нише капитальной стены помещения кухни за универсальной бытовой газовой плитой [1; 2], не загромождая пространство кухни. Замена воздушного фильтра 2 выполняется через открывающееся кухонное окно.

Вид по В-В

Рисунок 2. - Рекуперативный теплоутилизатор универсальной бытовой газовой плиты

Технологически принцип работы устройства тепловой вентиляции газифицированных кухонь заключается в том, что под действием работы системы вытяжной вентиляции здания 18 с наружными ограждениями повышенной теплозащиты и герметичности продукты сжигания газа из универсальной бытовой газовой плиты [1; 2] с температурой 12 > 100 °С через верхний 12 или нижний 13 (см. рисунок 1) присоединительные патрубки поступают в приемную камеру 14 кожухотрубного рекуперативного теплообменника 8 и движутся по теплообменным трубкам 15 снизу вверх по теплообменной камере 7, передавая при этом через контактные наружные поверхности теплообменных трубок 15 теплоту греющих продуктов сжигания газа холодному наружному приточному воздуху, который также движется снизу вверх в межтрубном пространстве теплообменной камеры 7, а затем через верхний клинообразный воздухосборник 16, выходной патрубок 17 и вытяжную систему 18 вентиляции здания выбрасывается в атмосферу, формируя таким образом греющий контур кожухотрубного рекуперативного теплообменника 8. В нагреваемом контуре наружный воздух заходит через воздухозаборную решетку 1, воздушный фильтр 2, приточный теплоизолированный воздуховод 3, входной патрубок 4, клинообразный воздухораспределитель 5 с кольцевыми отверстиями 6 в теплообменную камеру 7, из которой через кольцевые отверстия 10, клинообразный воздухосборник 9, приточный патрубок 11 и регулируемую жалюзийную решетку 12 поступает в помещение газифицированной кухни в предварительно подогретом состоянии, снижая при этом тепловую нагрузку на систему отопления здания, выполняя тем самым функцию энергосбережения теплопотребления от внешних энергоисточников.

При рассмотрении тепломассообменных процессов, протекающих в устройстве тепловой вентиляции газифицированных кухонь, на основе теории теплотехники в прямоточном газовоздушном рекуперативном теплообменнике изменение температур теплообменивающихся сред осуществляется по графику (рисунок 3). Изменение температур теплоносителей при их движении вдоль поверхности теплообмена происходит нелинейно. Учитывая это обстоятельство, средняя разность температур А^ср определяется по логарифмическому уравнению:

Аи - А/„

(1)

где А1б - большая разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей, °С; А1м - меньшая разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей, °С.

и-

Рисунок 3. - График изменения температур теплообменивающихся сред в прямоточном газовоздушном рекуперативном теплообменнике

Общее количество теплоты, передаваемой от нагретых газов через стенку ¥ нагреваемому воздуху, определяется из выражения

в = к • ¥-А1ср,

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 °С; ¥ - площадь поверхности теплообмена, м2.

133

Коэффициент теплопередачи к через стенку газохода определяется из выражения

1

к =

1 5 1

— 1 —

(3)

Здесь — в - коэффициент тепловосприятия от греющего теплоносителя к внутренней поверхности стенки газохода, Вт/м2 °С; — н - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки газохода нагреваемому теплоносителю, Вт/м2 °С; 5 - толщина стенки газохода, м; 1 - теплопроводность материала стенки газохода, Вт/м °С.

—н = 11,6 + 7^7 ,

(4)

где Увв - скорость нагреваемого вентиляционного воздуха при его движении внутри теплообменника, м/с. Поверхность теплопередачи через стенку газохода определяется из выражения

Fп.г = Р ^н ' I

(5)

где dн - наружный диаметр газохода, м; I - длина газохода в зоне контакта м.

Для оценки интенсивности теплообмена при утилизации теплоты горячих газов, локально удаляемых от бытовой газовой плиты через рекуперативный теплообменник устройства тепловой вентиляции газифицированных кухонь, используется безразмерный критериальный коэффициент теории подобия критерий Нуссельта, определяемый по формуле

№ = 0,0207 • Яе0,8 • Рг0,43 -9,

где Яе - критерий Рейнольдса; Рг - критерий Прандтля; 9 = 1 + 2 - dвн /1 - поправочный коэффициент; dвн - внутренний диаметр газохода, м.

По значению критерия № определяется величина коэффициента — :

(6)

1 2 — = Ш - — , Вт/м2

d

°С.

(7)

Рисунок 4. - Экспериментальный стенд для исследования теплообменника газовой плиты

Для определения закономерностей изменения теплопроиз-водительности теплообменника устройства тепловой вентиляции газифицированных кухонь зданий с повышенной теплозащитой и герметичностью наружных ограждений при переменных тепловых и аэродинамических режимах выполнены экспериментальные исследования.

Экспериментальная установка, представленная на рисунке 4, состоит из газовой плиты 1, теплообменника, включающего греющий газоход 4 круглого сечения, диаметром dг, нагреватель воздуха квадратного сечения с входным 2 и выходным 7 патрубками.

Для фиксации температур греющего и нагреваемого теплоносителей, а также температур поверхностей установлены термометры стеклянные 3, 5, 8 и контактные 9, 10,11,12.

Для фиксации скорости движения и расходов греющего и нагреваемого воздушных теплоносителей на установке используются крыльчатые анемометры 13, 14.

Для определения расхода сжигаемого газа в установке использован газовый бытовой счетчик 15, а для фиксации давления газа - микроманометр 16.

При розжиге газа от горелки 6 продукты сгорания газа вместе с эжектируемым воздухом образуют смесь греющих газов, направляемую в газоход 4 конвективным потоком, имеющим начальную температуру ^ и температуру на выходе 1Кгх, фиксируемую термометром 5.

8

7

Средняя температура теплоотдающей поверхности газохода 4 измеряется контактными термометрами 9 и 10 и определяется из выражения (8):

гн + г *

'9,10 --^-' (8)

где , г*0 - соответственно начальная температура поверхности газохода и конечная, °С.

Количество теплоты Qг.c.n, затрачиваемой на нагрев вентиляционного воздуха с поверхности газохода, определится как

Q - К ■ ^ • (гср -гср ) (9)

^¿г.с.п Кг 1 п.г ^9,10 '8,14/' \у)

где Кг - коэффициент теплоотдачи через стенку газохода 4, Вт/м2 °С; Рпг - теплоотдающая поверхность газохода, м2; гС10 - средняя температура газовой смеси в газоходе, °С; 'См - средняя температура нагреваемого вентиляционного воздуха, °С.

Теплоотдающая поверхность газохода определяется из выражения

К.г -Р йг ■ 1Т , (10)

где ¿г - диаметр газохода, м; 1Т - длина теплообменника, м.

При установившемся режиме количество теплоты Qг,c,n, передаваемой от первичного теплоносителя (газовой смеси) через стенку газохода, равно количеству теплоты, переходящей по теплообменнику к нагреваемому вентиляционному воздуху, то есть

- Qn.г • (11)

Величина Qn.г численно равна количеству теплоты, отдаваемой с поверхности газохода:

Q -а ■ ^ ■ аср - гср), (12)

л-'П.г н п.г V г.с е.еV /

где все входящие величины известны и определяются расчетом или экспериментально.

Вычислив значение Qnг из выражения (12), с учетом выражения (11) решим уравнение (9) относительно величины г*

г.с

ер - ер + , (13)

г.с е.е т-т > ^ '

* ■ Кг

а величину начальной температуры газовой смеси г"гс определим из выражения

С - 2 ■ с - С . (14)

Значения критерия Яе для определения величины ае вычисляются расчетным путем:

V ■ ¿1

Яе—^, (15)

V

где ¿г - диаметр газохода 4, м; Vгc - скорость движения газовой смеси по газоходу, замеряемая экспериментально анемометром 13 (рисунок 4), м/с; V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с (для средней температуры газовой смеси).

Данные экспериментальных исследований и результаты их обработки по вышеизложенной методике представлены в таблице 1.

Таблица 1. - Результаты исследования теплообменника

№ м3 / с V ее ан Q , Вт Дг еых 1П ^ Дг еых Дгх Дг еых г ср '3,8 д - гср -гср ср '9,10 '3,8 К

1 0,0067 0,22 14,9 82,4 8,3 5,7 0,375 1,456 27,90 7,00 15,07

2 0,0071 0,24 15,0 67,5 10,4 1,0 2,340 10,400 31,50 5,70 21,25

3 0,006 0,20 14,7 58,1 9,0 1,0 2,200 9,000 32,50 5,00 20,20

4 0,0074 0,25 15,1 75,2 12,0 0,6 3,000 20,000 35,00 6,30 25,05

5 0,008 0,27 15,2 108,7 15,0 3,0 1,610 5,000 36,25 9,05 18,50

6 0,0085 0,28 15,3 111,8 16,5 2,0 2,110 8,250 37,25 9,25 20,60

7 0,0087 0,29 15,4 149,0 20,0 4,5 1,490 4,440 38,75 12,25 18,14

Анализируя и обобщая результаты полученных данных теоретических исследований по математическому моделированию тепломассообменных процессов устройства тепловой вентиляции газифицированных кухонь [3; 4] и данных, полученных при проведении экспериментальных исследований для оценки эффективности утилизации тепловых выбросов от бытовой газовой плиты [1; 2], предназначенных для предварительного подогрева приточного вентиляционного воздуха, можно сделать выводы и общее заключение.

В целях энергоресурсосбережения и снижения отопительной нагрузки на системы обогрева зданий в отопительный период, улучшения качества воздушной среды за счет локализации вредных выделений при сжигании газообразного топлива в бытовых газовых плитах, обеспечения необходимого нормативного воздухообмена газифицированных кухонь и жилых помещений в условиях практически полной герметизации наружных ограждающих конструкций, снижения расхода газообразного топлива за счет конструктивных усовершенствований бытовой газовой плиты, обеспечения социально-экономической и экологической, санитарно-гигиенической безопасности, комфортного проживания предлагается к реализации новационная разработка Полоцкого государственного университета, подтвержденная патентами и результатами выполненных теоретических и экспериментальных исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Газовая плита : пат. BY 4338 / В.И. Липко, С.В. Липко. - Опубл. 03.01.2012.

2. Газовая плита : пат. BY 8117 / В.И. Липко. - Опубл. 30.04.2012.

3. Липко, В.И. Энергоресурсоэффективное тепловоздухоснабжение гражданских зданий / В.И. Липко. Т. 1. - Новополоцк : Полоц. гос. ун-т, 2004. - 212 с.

4. Липко В.И. Энергоресурсоэффективное тепловоздухоснабжение гражданских зданий / В.И. Липко. Т. 2. - Новополоцк : Полоц. гос. ун-т, 2004. - 392 с.

Поступила 05.12.2017

ENERGY-EFFICIENT HEAT VENTILATION OF GASIFICATED KITCHEN

V. LIPKO, V. SHIROKA VA, A. LAPEZO

The results of studies of ventilation of gasified kitchens, intended to create an air exchange process inside residential buildings with the function of heating the supply ventilation air with the use of the heat of the exhaust gases are presented. The results of the obtained theoretical research data on mathematical modeling of heat and mass exchange processes of the device for thermal ventilation of gasified kitchens and the data obtained during the pilot studies to evaluate the efficiency of utilization of thermal emissions from a household gas cooker for preheating the fresh air ventilation air are analyzed and summarized.

Keywords: microclimate, energy conservation, air supply, gas supply, heat supply, recuperation, recycling, modernization, innovation.

: в 2-х т. : в 2-х т.