CC BY
92
УДК 697.921.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ТЕПЛОВОГО НАСОСА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ДИАПАЗОНА РАБОТЫ ВОЗДУШНОГО РЕКУПЕРАТОРА
© Е.Э. Баймачев1, С.С. Макаров2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
В настоящее время не существует методики расчета эффективности использования теплового насоса в системах приточно-вытяжной вентиляции при размещении конденсатора и испарителя внутри установки. Представленные расчеты показывают эффективность применения теплового насоса в качестве источника энергии для преднагрева воздуха с низкой температурой и расширением температурного диапазона установок с перекрестным теплообменником при температурах до минус 40°С. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: рекуператор; тепловой насос; низкие температуры; преднагрев воздуха.
THERMAL PUMP THERMODYNAMIC CYCLE MODELING TO EXTEND TEMPERATURE RANGE OF AIR RECUPERATOR OPERATION E.E. Baimachev, S. S. Makarov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Nowdays there is no design procedure of thermal pump efficiency in plenum and exhaust ventilation systems with intra-condenser and intra-evaporator. Presented calculations show the application efficiency of the thermal pump as a source of power for cold air preheating and extension of the temperature range of installations with a cross-flow heat exchanger under the temperatures to 40°С below zero. 6 figures. 1 table. 5 sources.
Key words: recuperator; thermal pump; low temperatures; air preheating.
Применение воздушных рекуператоров в суровых климатических условиях ограничено из-за возможного обмерзания вытяжной части теплообменной установки. Устранение обмерзания позволит существенно расширить температурный диапазон работы воздушных рекуператоров в области низких температур.
Для обеспечения бесперебойной работы рекуператора необходимо на его входе для наружного воздуха поддерживать температуру не ниже -20°С. В то же время температура кипения хладагента в испарителе, находящемся в канале уходящего воздуха, не должна опускаться ниже 0... 5°0 для недопущения его обмерзания [1; 2].
При воздухообмене приточно-вытяжной установки, равном 1500 м3/ч, представляется возможным изъять у уходящего воздуха 12,5 кВт, снизив его температуру от плюс 20 до плюс 5°С при его начальной относительной влажности 30% и атмосферном давлении 95 кПа. Дополнительным положительным эффектом будет являться снижение влагосодержания уходящего воздуха с 9,3 до 5,5 г/кг сухого воздуха, что еще более снизит вероятность обмерзания рекуператора (рис. 1, а) [3; 4].
Конденсатор теплового насоса в этом процессе будет осуществлять первичный подогрев наружного
воздуха, поступающего в центральную установку вентиляции или кондиционирования воздуха. При этом, как видно из таблицы, в зависимости от выбранного типа хладагента и температуры его конденсации будет передаваться от 12,74 до 14,13 кВт. Из таблицы также видно, что передаваемая мощность мало зависит от применяемого хладагента, а в основном зависит от температуры конденсации. Изменение мощности связано с увеличением энергопотребления компрессора с ростом температуры конденсации, поэтому видится оптимальным принимать ее значение минимально возможным. Данные получены с использованием программы 0оо1Раск.
При передаче теплоты наружному воздуху будет осуществлен его нагрев с температуры минус 36°С (температура холодной пятидневки, обеспеченность
0.92 в г. Иркутске) до температуры минус 10,8°С (рис.
1, б). Таким образом, нижняя граница температурного диапазона устойчивой работы рекуператора сдвигается к температуре минус 40°С, т.е. гарантируется отсутствие его обмерзания при использовании практически на всей территории Российской Федерации.
На схеме рис. 2 представлено расположение теплообменников теплового насоса в установке с пластинчатым перекрестно-точным рекуператором. Это
1 Баймачев Евгений Эдуардович, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: 3952405871, e-mail: valka@istu.edu
Baimachev Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Communications and Life-Support Systems, tel.: 3952405871, e-mail: valka@istu.edu
2Макаров Святослав Станиславович, аспирант, тел.: 3952405303, e-mail: slavaclimat@istu.edu
Makarov Svyatoslav, Postgraduate, tel.: (3952)405303, e-mail: slavaclimat@istu.edu
позволяет вносить изменения в действующие установки, подбирая теплообменники и компрессор. При проектировании новых установок можно также отказаться от такого элемента, как байпас, предназначен-
ного для размораживания теплообменника [5].
Рассмотрим эффективность работы обычного рекуператора с преднагревом и рекуператора, оборудованного тепловым насосом.
Рис. 1. Отображение на диаграмме процессов тепло-влажностной обработки воздуха в тепловом насосе:
а - испаритель; б - конденсатор
Рис. 2. Установка теплового насоса в приточно-вытяжную камеру с перекрестно-точным рекуператором: 1 - система воздуховодов; 2 - корпус; 3 - разделительная перегородка; 4 - устройство для регенерации тепловой энергии; 5 - воздушный клапан приточного воздуха; 6 - фильтр приточного воздуха; 7 - конденсационный теплообменник; 8 - воздухонагреватель; 9 - средство для передачи и обработки наружного воздуха; 10 - фильтр вытяжного воздуха; 11 - испарительный теплообменник; 12 - средство для передачи и обработки уходящего воздуха; 13 - компрессор; 14 - дросселирующее устройство; 15 - трубопровод с хладагентом; 16 - воздушный клапан уходящего воздуха
Тепловая мощность теплового насоса в зависимости от типа хладагента и температуры _его конденсации_
Величина переохлаждения АТЗС, ос 2
Температурный эквивалент потерь давления на линии нагнетания и всасывания АРэь АР01_, ос 0,5
Мощность охлаждения Ое, кВт 12,5
Изоэнтропическая эффективность работы компрессора П1э 0,5
Потери теплоты % 5
Увеличение температуры газа на линии всасывания (неиспользуемый перегрев) АТв^ь ос 1
Тип хладагента Температура^ конденсации, ос -—___ Р22 Р407С Р410А
Мощность нагрева ОС при температуре конденсации °С 6 12,74 12,74 12,78
7 12,83 12,83 12,87
8 12,92 12,92 12,96
9 13,01 13,01 13,06
10 13,1 13,1 13,15
11 13,2 13,2 13,24
12 13,29 13,29 13,34
13 13,38 13,38 13,43
14 13,48 13,48 13,53
15 13,57 13,57 13,63
16 13,67 13,67 13,73
17 13,77 13,77 13,83
18 13,86 13,87 13,93
19 13,96 13,97 14,03
20 14,06 14,07 14,13
Для расчетных условий г. Иркутска рекуператор (УТБ УБ21Р0Р) без теплового насоса имеет КПД равный 57% и для создания напора в вентиляционной сети равного 100 Па с учетом комплектования его фильтрами с классом очистки 04 необходимо использование вентилятора мощностью 0,244 кВт на вытяжной и 0,23 кВт на приточной стороне. Рекуператор при этом обеспечит нагрев наружного воздуха с минус 14 (температура обмерзания теплообменника по данным компании «Н^ех») до плюс 4°С (ф=13%) и охлаждение уходящего воздуха до 2°С (ф=100 %). При понижении наружной температуры до минус 36°С происходит понижение температуры наружного воздуха после рекуператора до минус 3,3°С (ф=4%) и понижение температуры уходящего воздуха до минус 6,9°С (ф=100%), т.е. создаются все условия для обмерзания рекуператора. Для избежания обмерзания рекуператора рассчитывается байпас с изменяемой шириной. В результате после рекуператора и байпаса наружный воздух имеет температуру -19,8°С, а утилизируемый воздух 3,8°С. Для подогрева воздуха до 20°С необхо-
димо дополнительно 20,91 кВт. Таким образом, общие энергетические затраты для расчетных условий составляют 21,38 кВт.
Устройство преднагрева, как правило, электрическое и является одним из самых распространенных способов борьбы с обмерзанием без прекращения работы рекуператора или изменений пропорций воздухообмена. Для нагрева 1500 м3/ч воздуха с минус 36°С до минус 14°С необходима мощность в 11,56 кВт. При данных условиях КПД рекуператора равен 56%, наружный воздух нагревается до 4°С (ф= 3%), а уходящий охлаждается до 2°С (ф= 100%). Мощность вытяжного вентилятора составляет 0,245 кВт, а приточного - 0,243 кВт. Для догрева воздуха до 20°С необходимо дополнительно 8,4 кВт. Таким образом, общие энергетические затраты для расчетных условий составляют 20,44 кВт.
Применение для расширения температурного диапазона работы рекуператора теплового насоса, как показано выше, позволяет подавать в рекуператор наружный воздух с температурой минус 140С, а ухо-
дящий - с температурой плюс 1°С. КПД рекуператора при этом достигает 59%, наружный воздух согревается до минус 4,7°С (ф= 3%), а уходящий остывает до минус 5,5°С (ф= 100 %), затраты на догрев до 20°С составляют 12,97 кВт. Мощности приточного и вытяжного вентилятора составляют 0,245 кВт. Дополнительно происходят затраты энергии на привод компрессора теплового насоса. В данном случае (Р410Д, ^=6°С) они составляют 0,126 кВт. Суммарные затраты энергии, таким образом, равняются 13,58 кВт.
На графике рис. 3 представлена зависимость мощности, потраченной на преднагрев воздуха до минус 14°С с использованием калорифера и теплово-
25
го насоса. При минус 36°С мощность, затрачиваемая на подогрев воздуха до плюс 20°С, составляет: тепловой насос 13,58 кВт против подогрева с использованием калорифера 20,44 кВт. Внешний вид графика рекуператора без преднагрева с изменяемым байпасом обусловлен ступенчатым изменением ширина байпаса.
При достижении наружной температуры минус 14°С преднагрев калорифером и тепловым насосом отключается.
На рис. 4, 5, 6 схематично представлена установка с распределением температур при трёх ранее рассмотренных вариантах нагрева воздуха.
20
<£ 15
и
0
1 10
о
Преднагрев — — — Тепловой насос Рекуператор
И-1
-36 -33 -30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 Температура, град. Цельсия
Рис. 3. Зависимость мощности от наружной температуры воздуха при преднагреве воздуха дополнительным
калорифером и тепловым насосом
Рис. 4. Приточная установка без преднагрева воздуха с изменяемой шириной байпаса
5
Мощность, затрачиваемая преднагревом равна 11,56 кВт Мощность,затрачиваемая электрическим калорифером равна 8,4 кВт
Общая мощность установки с вентиляторами равна 20,44 кВт Рис. 5. Приточная установка с преднагревом воздуха электрическим калорифером
Мощность,затрачиваемая компрессором теплового насоса 0,126 кВт
Мощность,затрачиваемая электрическим калорифером равна 12,97 кВт
Мощность установки с учетом вентиляторов равна 13,58 кВт
Рис. 6. Приточная установка с преднагревом воздуха с использованием теплового насоса
Таким образом, применение теплового насоса совместно с рекуператором позволяет, кроме расширения температурного диапазона работы рекуператора, более чем на 30% снизить затраты энергии на обработку воздуха по сравнению с устройствами с пред-
нагревом. Отрицательной чертой подобной конструкции является усложнение конструкции, однако она сглаживается положительными моментами.
Статья поступила15.04.2014 г.
Библиографический список
1. Вишневский Е.П. Особенности обеспечения эффективной работы пластинчатых теплообменников рекуперативного типа в суровых климатических условиях // С.О.К. 2005. № 1.
2. Дискин М.Е. Эффективность рекуперации теплоты в системах вентиляции при температурах наружного воздуха ниже температуры опасности обмерзания. АВОК. 2006. № 4.
3. Степанов В.С. Методы оценки термодинамической эффективности систем поддержания микроклимата // Известия вузов. Строительство. 2009. № 10.
4. Степанов В.С., Баймачев Е.Э., Выгонец А.В., Шарова О.В. Обоснование выбора способа тепловлажностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 5.
5. Патент 131458 РФ, МПК Р24Р 3/147. Установка для системы вентиляции и кондиционирования воздуха (варианты) / Е.Э. Баймачев, С.С. Макаров, О.В. Шарова, А.В. Выгонец; ФГБОУ ВПО ИрГТУ. - № 2013109036/12; Заяв. 28.02.2013; Опубл. 20.08.2013, Бюл. N 23.
