CC BY
119
УДК 628.83
И. В. Кузнецова, Н. С. Казанцева, Е. С. Каратаева
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ
ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Ключевые слова: система приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепловой энергии, энергосбережение, показатель
энергоэффективности, КПД установки.
Рассматривается применение систем приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла для полезного использования энергетического потенциала отработанных потоков воздуха и снижения тепловых потерь в изолированных помещениях. Проводиться анализ КПД рекуператора тепла при работе системы в режиме энергосбережения.
Keywords: system of ventilation with heat recovery, energy conservation, energy efficiency measure, the efficiency of the installation.
It is considered the application of systems of ventilation with heat recovery for beneficial use of the energy potential of waste air flow and reduce heat losses in isolated areas. Conducted an analysis of the efficiency of the waste heat exchanger when the system is in power saving mode.
Введение
На данный момент проблема
энергоресурсосбережения одна из наиболее актуальных. Неэффективное использование энергетических ресурсов, увеличение масштабов добычи полезных ископаемых, небольшой процент источников альтернативной энергии и в целом низкие показатели энергоэффективности приведет к кризису в энергетической отрасли в ближайшем будущем [1].
Значительная часть капитальных и
эксплуатационных затрат приходится на долю системы вентиляции. Поэтому в современных экономических условиях необходимы разработка и реализация технологий, которые позволят эффективно снизить потребление энергоресурсов с минимальными капитальными затратами и наибольшей экономией от их внедрения. [2] Существуют инновационные инженерно-технические решения узкоспециализированного характера, обеспечивающие средствами рациональной организации и конструктивного оформления систем вентиляции значительное снижение энергопотребления. К их числу относят, например, рекуперацию тепла в теплообменниках различного типа.
Классическая вентиляционная система состоит из двух основных частей - приточной и вытяжной [3,4]. Согласно правилам вентиляции, подаваемый в помещение приточный воздух необходимо подогревать для этого используют калориферы. Мощность калорифера рассчитывается, исходя из зимних температур, расчетная величина которой составляет -18°C для нашего региона. С другой стороны, теплый вытяжной воздух удаляется из помещения на улицу. Утилизация этого тепла позволяет сэкономить огромное количество энергии. Энергоемкость обычных вентиляционных систем в среднем составляет 50-80% от всей структуры затрат. Это большая часть от общей энергоемкости инженерных систем предприятий и хозяйственных объектов, на которых они эксплуатируются. Совершенствование систем вентиляции, а также
режимов их работы позволяет сократить энергетические затраты сооружения на 30-60%. Поэтому при выборе вентиляционной системы важно обратить внимание на высококачественное, энергосберегающее, простое при монтаже и легкое в эксплуатации, эффективное, а главное надежное оборудование [5].
Было проведено лабораторное исследование системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла (СПВВР) с целью определения показателя энергоэффективности данной установки.
Определение показателя энергоэффективности экспериментальной модели СПВВР
Для определения показателя
энергоэффективности СПВВР было проведено исследование, в ходе которого была рассмотрена экспериментальная модель устройства для утилизации тепла вентиляционных выбросов (рис.1).
Рис. 1 - Экспериментальная модель СПВВР: 1 -металлическая труба; 2 - осевой вентилятор; 3 -насадочный рекуператор
Устройство состоит из металлической трубы 1 с установленным в ней осевым вентилятором 2 и насадочного рекуператора 3, представляющего собой цилиндрический керамический блок с однонаправленными регулярными продольными каналами прямоугольного сечения. Работа системы утилизации тепла управляется блоком управления.
Блок управления позволяет работать в трех режимах: режим вытяжки; режим притока и энергосберегающий режим.
На первом этапе исследований энергоэффективности рассматриваемой системы вентиляции определим математически её теоретический коэффициент полезного действия.
Определение теоретического КПД
Максимальный КПД устройства можно достичь при сбалансированной и симметричной работе регенератора. Примем, что при работе системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепловой энергии на третьей скорости расход воздуха в прямом и обратном направлении будет V
= 65 М", при этом коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке каналов матрицы (кордиеритовый
кВт
блок) составит а = 0,06 —г—.
м^-К
Рассчитаем эффективность по ЛП - методу
[6]:
Л = ■
У-р-ср
(1)
где Г - теплообменная поверхность матрицы, м ; р -
кг кДж
плотность воздуха —; сР - теплоемкость воздуха —.
кгК
П = М^" (2)
где Р - период работы, с; Мт - масса матрицы, кг;
кДж
ст- теплоемкость матрицы, Получаем следующие значения:
. 0,06-4,38-3600 , , ,, _ 0,06-4,38-60 , ,0
Л---11,62 ; П---3,68.
65-1,2-1,05 4,2-1,02
Согласно диаграмме (рис. 2) эффективность работы используемого в данной установке рекуператора составит £р = 0,85.
Рис. 2 - Эффективность сбалансированного и симметричного противоточного рекуператора
Таким образом, теоретический КПД равен 85%. Далее определяем значение данного показателя экспериментально.
Экспериментальное определение КПД
КПД рекуператора в режиме энергосбережения определялся на экспериментальной установке (рис. 3), в которую была помещена исследуемая модель устройства (рис. 1).
ЕЕЕЕЕЕ
Рис. 3 - Экспериментальная установка: 1 -СПВВР; 2 - ТЭН-ы; 3 - безоболочные термопары; 4 - ЛАТР; 5, 6,- система сбора данных; 7 - персональный компьютер; 8 -выравниватель потока
Разность температур создавалась с помощью ТЭН-ов 2, ЛАТР 4 служил для регулирования мощности ТЭН-ов, что позволяло устанавливать необходимую температуру воздуха входящего в СПВВР. Для измерения температуры воздуха на входе и выходе из рекуператора были установлены по три безоболочные термопары 3 с каждой стороны. Измерения на периферии производилось (на расстоянии 60 мм от центра) кордиеритого блока. Система сбора данных 5,6 служила для передачи экспериментальных данных на персональный компьютер 7. Для выравнивания температурного поля по сечению со стороны ТЭН-ов был установлен выравниватель потока 8 со стационарным завихрителем.
Методика измерения
Измерения проводились при установившихся температурах на входе и выходе из рекуператора, графики изменения температуры от времени всех термопар высвечивались на мониторе персонального компьютера.
Замер температур производился по центру и на периферии. Измерения по центру велось в двух точках, в 1-ой точке производился замер воздуха (на расстоянии 10 мм от матрицы), во 2-ой точке замерялась, непосредственна температура матрицы (на расстоянии 10 мм перпендикулярно от края матрицы). Температуре воздуха входящего в рекуператор со стороны тэнов Тв и 45 °С, температура в комнате Тк и 27 °С. Эксперимент проводился на 3-ей скорости в энергосберегающем режиме М3 период составлял 60 сек. (заданный режим выбирался на блоке управления СПВВР).
Результаты
Температурная эффективность (КПД) регенератора определяется следующим образом [3]:
„ _ тЪ.,ГтЪ.,0
--;
тП,1~тс,1
£с = ■
тс,о-тсХ. тк.1~тс,1
1 = 1/1 ^ 14 £г 2 £с/
(3)
(4)
где £ь - эффективность периода нагрева, £с -эффективность периода охлаждения, £г - общая эффективность регенератора, Т^, Тс^ - температура горячего и холодного воздуха на входе, Т^о, Тс,0 -температура горячего и холодного воздуха на выходе.
На рис. 4 представлен график изменения средних температур по сечению на входе (Тсргор) и на выходе (Тсрхол) СПВВР в процессе работы в энергосберегающем режиме.
Г-ЧП«> <Т"1 J-1 :
f V - J 45.05 / V
\ S К f \ 1 V \ / - -Ï5U13J] i, ' —TrrsH
1Щ/
— 1 1 1 1 1 1 1 ll
и .00.17 15.00.Ji 15.00.5: 15,01.09 15.01-И 15.01.« 15.02.01 15.02.18 13.02..» 15.01:53
1)4111
Рис. 4 - Изменение температуры во времени
На основании полученных данных: Т^ = 46,91 °С, Тс, = 31,82 °С, Ти,0 = 37,55 °С, Тс0 = 45,05 °С проведем расчет по формулам (3) и (4):
£И =---= 0,62; £с = ---= 0,87;
И, согласно формуле (5), получаем: £с =___= 0,73
Таким образом, по результатам эксперимента температурный КПД установки составил 73%, что меньше расчетного теоретического КПД, равного 85%. Такое расхождение значений теоретического и экспериментального показателя
энергоэффективности объясняется наличием температурной неоднородности по сечению аппарата. Причиной тому служит неравномерное
распределение воздушного потока по сечению аппарата с ярко выраженной застойной зоной в центре матрицы. Такой эффект создает несимметричная работа вентилятора в прямом и обратном направлении [7].
Заключение
Системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла обеспечивают рациональное использование энергетического оборудования и экономное расходование всех видов энергии. Устранение выявляемых в ходе лабораторных исследований определенных несовершенств данных аппаратов, не позволяющих достигать максимально возможной эффективности работы с рекуператорами различных исполнений, является актуальной проблемой. Повсеместное применение СПВВР позволяет не только внедрить в короткие сроки окупаемости эффективную программу по энергосбережению, но также снизить затраты на энергетические ресурсы в каждом процессе и этапе производственной или хозяйственной деятельности различных объектов.
Литература
1. Ю.Н. Зацаринная, Н.А. Староверова, Ф.Г. Келеш, Р.Н. Рахмаев, А.В. Чечков, Ю.С. Десятникова. Вестник технологического университета, т.18, 12, 182-184 (2015);
2. Л.Р. Ибрашева, А.М.Идиатуллина. Вестник Казанского технологического университета, 2, 198-212 (2011);
3. ГОСТ 30494—2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. Стандартинформ, Москва, 2013, 11 с.
4. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция, кондиционирование. Госстрой России, Москва, 1999, 72 с.
5. Ю.Я. Кувшинов, О.Д. Самарин, Основы обеспечения микроклимата зданий: учеб. для вузов. Издательство Ассоциации строительных вузов, Москва, 2012, 197 с.
6. Ramesh K. Shah, Dusan P. Sekulic, Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons, Inc. New-York, 2003, 30 с.
7. Е.С. Каратаева, Н.С. Казанцева. Вестник Казанского технологического университета, т.17, 23, 320-321 (2014)
© И. В. Кузнецова - к.т.н., доцент каф. Теоретических основ теплотехники ФГБОУ ВПО "КНИТУ" irina301086@gmail.com, Н. С. Казанцева - магистр КНИТУ, группа 225.М2-1, kns1993@mail.ru; Е. С. Каратаева - к.т.н., доцент каф. Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий КГЭУ, oskar_karataev@mail.ru.
© I. V. Kuznetsova - c.t.s., associate professor of heat engineering department of heat Kazan National Research Technological University (KNRTU), irina301086@gmail.com, N. S. Kazantseva - master of Kazan National Research Technological University (KNRTU), group 225.M2-1, kns1993@mail.ru; E. S. Karataeva - c.t.s., associate professor of the department of Energy supply companies and energy-saving technologies of Kazan State Power Engineering University (KSPEU), oskar_karataev@mail.ru.
