CC BY
91
УДК 536.248
СИСТЕМА РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ С АДАПТИВНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВЫТЯЖНОГО ВОЗДУХА
И.Ю. Игнаткин, кандидат технических наук
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана E-mail: ignatkinivan@ gmail. com
Аннотация. Рассмотрен способ утилизации теплоты вытяжного воздуха с применением рекуперативного теплообменника. Обеспечение требуемого микроклимата - значимый и энергоемкий процесс. Продуктивность животных сильно зависит от микроклимата: привесы - 20-30%, продолжительность жизни маток - 15-20%, сохранность молодняка - 5-40%. Также известно, что в современных свинарниках до 90% теплоты, затрачиваемой на отопление, удаляется вместе с вентиляционным воздухом. Системы рекуперации позволяют утилизировать теплоту вытяжного воздуха. Однако известно, что при охлаждении теплообменной стенки ниже 0°С в вытяжном канале кристаллизуется образующийся конденсат, что снижает эффективность теплообмена и перекрывает пропускное сечение. Для компенсации этого явления предлагается применять систему динамического регулирования производительности приточного канала рекуператора с целью поддержания температуры теплообменной стенки в области плюсовых значений и, следовательно, исключить обмерзание конденсата. Рекуперативный теплообменник оборудован датчиком температуры приточного воздуха, системами регулирования частоты вращения приточного вентилятора и угла поворота рециркуляционной заслонки. Последняя нужна для обеспечения баланса расходов притока-вытяжки в помещении. Рециркуляционный воздух в процессе теплообмена выделяет конденсат (осушается), который промывает теплообменную поверхность и абсорбирует часть вредных газов, что позволяет говорить о частичной регенерации приточного воздуха. Предлагаемый способ позволяет решить проблему обмерзания вытяжного канала рекуператора, а полученная расчетная зависимость - точнее определять ожидаемую экономию энергии на отопление.
Ключевые слова: вентиляция, микроклимат, рекуперация теплоты, свиноводство, система микроклимата, система отопления и вентиляции,утилизация теплоты, энергосбережение.
Введение. Промышленные свиноводческие предприятия используют технологии с высокой концентрацией животных, круглогодично использующие производственные мощности. Генетические компании ориентированы на производство мяса, что подразумевает снижение жировой прослойки - естественной теплоизоляции животных. Свиньи современных пород более чувствительны к температурным колебаниям и остро реагируют на него снижением продуктивности [1, 2, 3, 4]. При пониженных температурах содержания энергия корма расходуется на обогрев тела вместо набора массы. На рисунке 1 приведены зависимости расхода кормов и среднесуточных привесов от температуры содержания [2]. Максимальная эффективность наблюдается в диапазоне температур содержания от 15 до 20°С. В то же время снижение температуры от 20 до 15°С сопровождается практически прямо пропорцио-
нальным увеличением расхода кормов на единицу привеса, так при 15°С расход повышается на 12%. Последующее понижение температуры предполагает снижение среднесуточных привесов при одновременном росте потребления кормов.
II, к, %
.20 ----—--—-—-——---—-
О 5 10 15 20 25 30 35 40 I "С о о Прниесы; --- Расход корма.
Рис. 1. Зависимости расхода кормов и среднесуточных привесов от температуры содержания
Вопросами микроклимата в животноводстве занимались: Самарин Г.Н., Растимешин С.А., Новиков Н.Н., Гулевский В.А., Ильин И.В. и др., а также ряд иностранных компаний: «Hoval», «DAKS», «RIMU», «Gemmel», «REVENTA», «HAKA», и др. В частности, микроклимат влияет на продуктивность животных - 20-30%, продолжительность жизни маток - 15-20%, сохранность молодняка - 540%, длительность периода откорма, конверсию корма и ресурс технологического оборудования - до 40% [1-6].
Высокая концентрация животных подразумевает соответствующие объемы выделения продуктов жизнедеятельности (водяные пары, углекислый газ, аммиак, сероводород, меркаптаны), которые вредны и требуют своевременного удаления за пределы помещения. Для ассимиляции вредностей необходимо обеспечивать высокую кратность воздухообмена. В структуре теплового баланса свинарника на нагрев приточного воздуха расходуется порядка 80% всей теплоты, затрачиваемой на нужды отопления. Следовательно, энергосбережение при условии обеспечения необходимого микроклимата является актуальной задачей.
Утилизировать теплоту целесообразно в воздухо-воздушных рекуператорах, что подтверждается простотой его конструкции и разделением потоков теплого загрязненного воздуха и свежего приточного. Движение воздушных потоков происходит в каналах, а теплоперенос осуществляется через герметичные разделяющие стенки [7-10].
При теплообмене вытяжной воздух охлаждается, что происходит с образованием конденсата; при температуре теплообменной поверхности ниже нуля градусов по шкале Цельсия конденсат кристаллизуется. Это сопровождается перекрытием живого сечения и снижением производительности и эффективности утилизации теплоты. Известным способом решения описанной проблемы является циклическое функционирование аппаратов в режимах «рекуперация-оттаивание». В обледеневшем рекуператоре выключается приточный вентилятор, что отсекает источник холода, а теплый воздух прогрева-
ет теплообменник и плавит обрадовавшийся десублимат. Указанный способ предполагает цикличность использования аппарата, что влечет за собой двукратное резервирование и обеспечение текущего воздухообмена функционирующей группой, пока «напарники» оттаивают. Применяется также предварительный подогрев холодного приточного воздуха до температуры, исключающей обмерзание. Для реализации этого способа рекуперативная установка дооснащается жидкостными или электрическими калориферами. Это решение достаточно широко представлено в системах промышленного и гражданского центрального кондиционирования, при этом стоимость установки увеличивается, а конструкция усложняется.
Цель исследования: разработка способа динамического регулирования рекуперативной установки с условием поддержания температуры теплообменной стенки выше 0°С. Реализация заданного условия осуществляется путем уменьшения расхода приточного воздуха пропорционально снижению его температуры.
Материалы и методы. Для достижения поставленной цели предлагается установить систему регулирования частоты вращения приточного вентилятора, а в выпускном воздуховоде 7 разместить заслонку с электрическим приводом 8 (рис. 2).
Контроллер считывает сигналы от датчика температуры приточного воздуха 2, размещенного в корпусе приточного вентилятора 1. Расход вытяжного теплого воздуха постоянный, и по мере снижения производительности приточного вентилятора возникает дисбаланс производительностей приточной и вытяжной систем. Для компенсации этого явления рециркуляционная заслонка 8 открывается пропорционально снижению расхода приточного воздуха, таким образом часть вытяжного воздуха, частично охлажденного в теплообменнике 4, направляется обратно в помещение. В корпусе размещен пластинчатый рекуперативный теплообменник 4. Воздухообмен вынужденный и осуществляется приточным 1 и вытяжным 6 вентиляторами.
Л =
_ '-пр ^н
пр Л 0.4
Рис. 2. Схема воздухо-воздушного рекуператора:
1 - приточный вентилятор; 2 - датчик температуры; 3 - вытяжной патрубок; 4 - рекуперативный теплообменник; 5 - конденсатоотводчик; 6 - вытяжной вентилятор; 7 - выпускной воздуховод; 8 - заслонка.
Вытяжной теплый воздух подогревает холодный свежий приточный воздух. Образующийся конденсат стекает в поддон и отводится черед конденсатоотводчик 9 в систему навозной канализации. Для исключения обмерзания конденсата температура тепло-обменной стенки поддерживается выше 0°С. Контроль осуществляется косвенно по температуре воздуха. Контроллер поддерживает частоту вращения приточного вентилятора 1 «ю» и угол поворота заслонки 8 «ф» в диапазоне, обеспечивающем положительную температуру приточного воздуха «¿».
При охлаждении приточного воздуха до 0°С частота вращения приточного вентилятора снижается, а заслонка дополнительно приоткрывается. Таким образом, рекуператор обеспечивает необходимый воздухообмен, исключающий обмерзание теплообменника. Охлаждение вытяжки сопровождается образованием конденсата, то есть осушением воздуха. Вместе с конденсатом в канализацию направляются растворенные в нем газы, это обеспечивает дополнительную очистку рециркуляционного воздуха (регенерацию).
Результаты и обсуждение. Для оценки предлагаемого решения проведены экспериментальные исследования в соответствии с СТО АИСТ 31.2-2007 и построена зависимость эффективности утилизации теплоты от производительности рекуператора (рис. 3).
Вычисление значений коэффициента эффективности утилизации теплоты осуществлено по следующей формуле:
>-вн >-н *у выт
где ¿пр - температура приточного воздуха на выходе из рекуператора, °С; 1н - температура наружного воздуха, °С; ¿вн - температура в помещении, °С; Жпр - производительность рекуператора по притоку, м3/ч; Жвыт -производительность рекуператора по вытяжке, м3/ч.
I
¡0,55
И '
&
0,50
О
\ # <\ * \ о
*А • \ Ч? °о \ в л
о в .'V О о о о
« о в л чв • в в * о Ь
о / ■ • "
00 ° "в о ° * * о
1500 2500
3500 4500 5500 6500
Производительность по притоку,мЗ/ч
б
Рис. 3. Эффективность утилизации теплоты в зависимости от производительности рекуператора: а, б - соответственно без учета и с учетом дисбаланса производительностей.
Степенная зависимость в учете влияния производительности рекуператора обусловлена нелинейным характером взаимосвязи коэффициента теплоотдачи и скорости движения потока. Аппроксимируя опытные данные, получим выражение: Л = 0, 09 1 2 • 95 5 .
Аппроксимация данных дает возможность прогнозировать поведение рекуператора в текущих климатических условиях и осуществлять корректное регулирование.
Вывод. Предложенный способ рекуперации теплоты позволяет исключить обледене-
а
ние вытяжного канала теплообменника, обеспечить непрерывный процесс вентиляции с требуемым воздухообменом и утилизацию теплоты вытяжного воздуха, без дооснаще-ния установки дорогостоящими системами предварительного подогрева воздуха, а также точнее рассчитывать экономию теплоты в течение отопительного периода и подбирать мощность отопительного оборудования.
Литература:
1. Тихомиров Д.А. Методика теплоэнергетического расчета энергосберегающей вентиляционно-отопительной установки для животноводческих ферм // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 2. С. 125.
2. Архипцев А.В., Игнаткин И.Ю. Автоматизированная система микроклимата с утилизацией теплоты вытяжного воздуха // Вестник НГИЭИ. 2016. № 4(59).
3. Применение теплообменников для нормализации микролимата животноводческих помещений / В.А. Гулевский и др. // Известия ВУЗов. 2013. № 9. С. 64.
4. Игнаткин И.Ю., Курячий М.Г. Системы вентиляции и влияние параметров микроклимата на продуктивность свиней // Вестник НГИЭИ. 2012. № 10. С. 16-34.
5. Система микроклимата с теплоутилизатором и озонатором воздуха / Расстригин В.Н. и др. // Техника в сельском хозяйстве. 2005. № 4. С. 7-10.
6. Гулевский В.А. Моделирование теплообмена в пластинчатых теплообменниках // Вестник Воронежского ГАУ. 2012. № 2. С. 140-144.
7. Эффективная система вентиляции / А.В. Архипцев и др. // Вестник НГИЭИ. 2013. № 8(27). С. 10-15.
8. Игнаткин И.Ю., Казанцев С.П. Рекуператор теплоты для свиноводческого комплекса // Механизация и электрификация с. х. 2013. № 4. С. 17-18.
9. Ресурсосберегающая система отопления и вентиляции / Ильин И.В. и др. // Эффективное животноводство. 2011. № 9. С. 42.
10. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Энергоэффективная автоматизированная система микроклимата // Вестник МГАУ им. В.П. Горячкина. 2016. № 6. С. 48-51.
Literatura:
1. Tihomirov D.A. Metodika teploehnergeticheskogo rascheta ehnergosberegayushchej ventilyacionno-otopiter-noj ustanovki dlya zhivotnovodcheskih ferm // Al'terna-tivnaya ehnergetika i ehkologiya. 2013. № 2. S. 125.
2. Arhipcev A.V., Ignatkin I.YU. Avtomatizirovannaya sistema mikroklimata s utilizaciej teploty vytyazhnogo vozduha // Vestnik NGIEHI. 2016. № 4(59).
3. Primenenie teploobmennikov dlya normalizacii mikro-limata zhivotnovodcheskih po-meshchenij / V.A. Gulev-skij i dr. // Izvestiya VUZov. 2013. № 9. S. 64.
4. Ignatkin I.YU., Kuryachij M.G. Sistemy ventilyacii i vliyanie parametrov mikroklimata na produktivnost' svi-nej // Vestnik NGIEHI. 2012. № 10. S. 16-34.
5. Sistema mikroklimata s teploutilizatorom i ozonatorom vozduha / Rasstrigin V.N. i dr. // Tekhnika v sel'skom ho-zyajstve. 2005. № 4. S. 7-10.
6. Gulevskij V.A. Modelirovanie teploobmena v plastin-chatyh teploobmennikah // Vestnik Voronezhskogo GAU. 2012. № 2. S. 140-144.
7. EHffektivnaya sistema ventilyacii / A.V. Arhipcev i dr. // Vestnik NGIEHI. 2013. № 8(27). S. 10-15.
8. Ignatkin I.YU., Kazancev S.P. Rekuperator teploty dlya svinovodcheskogo kompleksa // Mekhanizaciya i ehlek-trifikaciya s. h. 2013. № 4. S. 17-18.
9. Resursosberegayushchaya sistema otopleniya i venti-lyacii / Il'in I.V. i dr. // EHffektivnoe zhivotnovodstvo. 2011. № 9. S. 42.
10. Kirsanov V.V., Ignatkin I.YU. EHnergoehffektivnaya avtomatizirovannaya sistema mikroklimata // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. 2016. № 6. S. 48-51.
THE HEAT RECOPERY SYSTEM WITH EXHAUST AIR ADAPTIVE RECIRCULATION I.Y. Ignatkin, candidate of technical sciences Moscow state technical university aftear N.E. Bauman
Abstract. The exhaust air heat utilization method with the recuperative heat exchanger using is considered. The required microclimate providing - is a significant and energy-intensive process. The animals' production is highly dependent on the microclimate: weight gain- in 20-30%, dams' longevity - in 15-20%, the young's safety - in 5-40%. It is also known that in modern pigsties up to 90% of heat spent on heating is removed together with air's ventilation. Recuperation systems allow to utilize exhaust air's heat. However, it is known that at heat exchange wall is cooled below 0°C, there the resulting condensate is crystallized in the exhaust channel, that reduces the heat exchange efficiency and overlaps the throughput section. To compensate this phenomenon, it is proposed recuperator system supply flow channel dynamic control using in order the heat exchange wall temperature in the plus values' region t o maintain and, therefore, condensate's freezing to exclude. The recuperative heat exchanger is equipped with a supplied air temperature sensor, supply fan rotational speed and recirculation flap rotation's angle frequencies' control systems. The last is necessary for the supply-exhaust flow balance in the room to ensure. Recirculation air in heat exchange process releases condensate (is drained), which washes the heat exchange surface and absorbs some of the harmful gases, that allows to say supplied air's partial regeneration about. The proposed method makes it possible the problem of recuperator exhaust channel freezing to solve, and the given resulting calculation dependence -more accurately the expected energy savings for heating to determine.
Keywords: ventilation, microclimate, heat recopery, pig breeding, microclimate system, heat and ventilation system, heat utilization, energy saving.
