CC BY
147
УДК 662.99
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТА РАНКА-ХИЛЬША
Г.В. Лепеш1, С.К.Лунева2
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ)
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
Рассмотрены возможности совершенствования и повышения эффективности теплообменного аппарата тепловых насосов с применением вихревого эффекта, рассмотрены трубы Ранка - Хильша.
Ключевые слова: вихревой эффект; тепловые насосы; энергоэффективность; энергосбережение; вихревые трубы; трубы Ранка - Хильша.
IMPROVEMENT TECHNOLOGY HEAT PUMPS ON THE BASIS RANKA-HILSA EFFECT
G.V. Lepesh, S.K. Luneva
Saint Petersburg State University of Economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, st. Sadovaja, 21 The possibilities of improving and increasing the effectiveness of heat exchanger heat pumps with the use of vortex effect, the pipe Ranka - Hilsa.
Keywords: vortex effect; heat pumps; energy efficiency; energy saving; vortex tubes; tubes Ranka - Hilsa
Объективная ограниченность запасов природных ископаемых топливных ресурсов, как основного сырья топливно-энергетического комплекса, вызвала необходимость использования мероприятий по энерго- и ресурсосбережению. Технология производства любой энергии предполагает потребление невозобновляе-мых ресурсов, поэтому нерациональное использование, переработка, транспортировка и потребление сырья или энергии не только уменьшают экономические показатели производства, но и оказывают неблагоприятное влияние на окружающую среду, ухудшая экологическую ситуацию.
Существовавшая политика дешевых и доступных энергоносителей привела к строительству в Российской Федерации сооружений и зданий с низкими теплозащитными свойствами ограждающих конструкций, а отсутствие приборов учета и контроля за потребленными ресурсами: тепловой энергии, воды, природного газа - привело к неэкономному расходованию ресурсов. Проектирование и внедрение новых источников энергии и технологий является одним из приоритетных направлений развития энерго- и ресурсосбережения во всем мире, развитию возобновляемых и альтернативных источников энергии уделяется пристальное внимание. Поэтому при проектировании новых, реконструкции и модернизации действующих
теплогенерирующих источников энергии и теплопотребляющих систем необходимо обращать внимание на новые ресурсосберегающие и экологичные технологии, способствующие повышению энергоэффективности систем и снижающие неблагоприятное воздействие на окружающую среду.
В частности, энергоэффективность может быть повышена за счет применения тепловых насосов, предназначеных для утилизации теплоты источников, как техногенного, так и природного характера, и передачи этой теплоты на нужды потребителя. При этом широкое внедрение тепловых насосов, как эффективных средств утилизации теплоты в системы теплоснабжения зданий и сооружений (котельные, жилые и производственные здания и т.д.) приведет к значительной экономии энергоресурсов и, следовательно, уменьшению количества сжигаемого топлива и снижению нагрузки на окружающую среду.
Актуальными направлениями развития данной технологии, являются как совершенствование рабочих процессов тепловых насосов и оптимизация схем, приводящие к повышению эффективности ТН, так и поиск, и обоснование применения их в различных системах тепло- и энергоснабжения зданий и сооружений.
1 Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.:+7 921 751 2829,e-mail: gregoryl@yandex. гы ;
Лунева Светлана Курусовна - аспирант кафедры Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.: +7 911 9151670, isvetlana1508@mail.ru
Тепловые насосы - технология, которая предусматривает преобразование теплоты от низкопотенциального источника, в пределах температурных параметров окружающей среды. Одним из основных элементов ТН является тепло-обменный аппарат, в котором происходит передача низкопотенциальной теплоты воздуха теплоносителю. Для повышения удельной эффективности теплопередачи необходимо изучить возможности применения принципиально новых конструкций.
Из существующих аппаратов высокую удельную эффективность имеют устройства с активными гидрогазодинамическими режимами, такие как циклонные и вихревые. Важной особенностью циклонно - вихревых устройств является высокая зависимость эффективности их работы от конструктивных и режимных параметров [2].
Вихревой эффект был открыт в 1931 г. Ж.Ранком при измерении температуры в промышленном циклоне, который заключается в снижении температуры газа в центральных слоях закрученного газа и повышении температуры газа на периферийных участках. В 1946 г. Р.Хильшем были опубликованы результаты экспериментов по изучению эффекта и предложена конструкция вихревой трубки. Технические решения для теплотехнических аппаратов, в которых используется вихревой эффект - эффект расслоения при движении в трубе расширяющегося закрученного высокоскоростного потока среды, при котором температура пристенного слоя выше температуры центральных слоев, представляют вихревые трубы. Конструктивно устройство представляет цилиндрическую трубу с одним или несколькими входными отверстиями, в которые подается сжатая среда (воздух или газ). Воздух тангенциально подается в вихревую камеру, закручивается и движется по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у центральной образуется область пониженной температуры и давления. На противоположном торце вихревой трубки установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока (рис.1).
Разделение воздуха на горячий и холодный происходит с перепадом температур до 100 градусов.
Эффект Ранка до конца не изучен, парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке
направлены наружу и, более тёплые слои газа или жидкости, имея меньшую плотность всегда поднимаются вверх, а в случае возникновения центробежных сил стремятся к центру, при этом более холодные слои, имея большую плотность должны стремиться к периферийной части устройства. При этом должен происходить обратный температурный эффект разделения среды.
I!
От компрессора Горячий
и
V * *
Холодный поток
Корпус
Диафрагма Улитка
Камера энергоразделения Регулятор
Рисунок 1 - Устройство вихревой трубы
Описание вихревого движения несжимаемой жидкости можно представить вращением всего имеющегося объема как твердого тела вокруг некоторой оси с постоянной круговой частотой вращения ю, при этом скорость линейного движения элемента жидкости и и расстояние до оси вращения г определяются по формуле:
Ю=~=СОП81.
г
Такое движение принято называть квазитвердым вращением или вынужденным вихрем. В вынужденном вихре имеется радиальное разделение жидкости по величине кинетической энергии, за счет адиабатного сжатия внешних слоев и разрежения внутренних образуется температурное разделение по радиусу, которое в совокупности с радиальным распределением кинетической энергии приводит к энергетическому разделению, соответствующему эффекту Ранка [2].
В настоящее время наиболее общепризнанным объяснением эффекта Ранка - Хильша является следующее. При измерении температуры
движущегося в трубе потока двумя приборами, один из которых вмонтирован в трубу, а другой движется вместе с потоком, температуры будут связаны между собой следующей зависимостью:
Тo=Т+v2/(2 Ср), где: Т0 - температура, измеренная термометром, вмонтированным в трубу, «температура торможения», К; Т - температура «собственная» температура потока, измеренная термометром, движущимся вместе с ним, «статическая температура», К; V - скорость движения потока в трубе, м/с; ср -удельная теплоемкость среды потока, Дж/кг К.
Температура торможения, которая измеряется неподвижным термометром, при одной и той же собственной статической температуре этого потока будет зависеть от его скорости. Если относительно такого термометра остановить весь газ, то вся его температура поднимется до этого значения - кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Именно это явление вызывает нагрев передних кромок крыла у скоростных самолётов (прежде всего сверхзвуковых). Предполагается, что возле выходного отверстия диафрагмы угловые скорости и холодного и горячего потоков равны, то есть весь вихрь вращается как единое твёрдое тело («квазитвёрдый» вихрь). В таких условиях на разных радиусах вихревой трубы газ имеет различную линейную скорость, соответственно он имеет и различную термодинамическую температуру. Благодаря эффективному турбулентному перемешиванию внутри вихревой трубы, эти температуры стремятся выровняться, из-за чего и происходит перераспределение собственных («термостатических») температур различных частей потока газа, которое становится явным, когда газ выходит из вихревой трубы. Необходимо отметить, что и это объяснение нельзя признать удовлетворительным, т.к. принятие температуры торможения во всём сечении вихревой трубы одинаковой является неправильным допущением. А приняв в качестве основной гипотезу обмена энергией между различными частями потока, мы должны приходим к обратному распределению температур. Существуют данные, что вихрь внутри трубы Ранка отнюдь не квазитвёрдый, и более того, его центральная часть может вращаться в противоположную сторону, а в таком случае вся эта теория вообще не соответствует практике [3]. Поэтому необходимы практические исследования и измерения различных параметров потоков в
вихревых трубах, таких как скорости и направления вращения на разных радиусах и на разных расстояниях от диафрагмы.
Простота конструкции, невысокая стоимость вихревых труб делают их привлекательными для использования для различных целей, например, в комбинированных энергетических установках, но при этом они имеют низкий КПД и характеризуются очень высоким уровнем шума в связи с высокими скоростями потока воздуха.
Параметры вихревых труб обычно рассчитываются исходя из заданной производительности, которая зависит от скорости и расхода исходного потока. Изменение параметров входного потока от оптимальных значений приводит к снижению КПД вихревой трубы. При этом необходимо отметить, что основное применение вихревые трубы, работающие на эффекте Ранка- Хильша, нашли для охлаждения рабочих сред, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С [3].
Представляет интерес использование эффекта Ранка - Хильша для нагрева теплоносителей и использование получаемой теплоты для теплоснабжения.
Распространено применение вихревых труб для производства холода и более эффективной считается противоточная схема. В качестве оптимальных размеров приводятся следующие значения [2]: внутренний диаметр трубы D =94 мм, длина трубы L = 520 мм, отверстие диафрагмы для выхода холодного воздуха d =35 мм, вход воздуха через два сопла, каждое из которых имеет диаметр d =25 мм. Оптимальная скорость воздушного потока на входе достигает значения 40 - 50% скорости звука. Поэтому, вследствие больших скоростей и мощных турбулентностей вихревые трубы являются шумными.
На рис.2 представлены схемы прямоточной (а) и противоточной (б) вихревых труб, работающих на эффекте Ранка. На рис. 3 приведен пример моделирования вихревого потока в среде CFD Flo Simulation.
Анализ функционирования при изменении скорости входного потока показал, что сильное уменьшение скорости входного потока, а также увеличение и приближение скорости входного потока к скорости звука уменьшает эффективность вихревой трубы до минимальных значений. Уменьшение геометрических размеров относи-
тельно оптимальных, особенно уменьшение диаметра до О < 33 мм заметно снижает КПД. Это свойство можно объяснить тем, что слишком малый диаметр не может предотвратить интенсивное перемешивание разделенных слоев воздуха.
Необходимо отметить, при разработке конструкции вихревых труб не уделяют большого внимания обеспечению ламинарности потоков, как на входе, так и внутри установки, существует мнение, что увеличение турбулентности в некоторых случаях будет способствовать повышению эффективности процесса. Обеспечение ламинар-ности потока рабочего тела на входе и выходе из трубы может обнако привести к снижению шум-ности устройства.
6 А
Рисунок 2 - Схемы прямоточной (а) и противоточ-ной (б) вихревых труб на эффекте Ранка (источник [2]): 1 - гладкая цилиндрическая труба; 2 - вход газа (воздуха) - завихритель тангециального или улиточного типа; 3 - дроссель; 4 - выход горячего газа через кольцевую щель; 5 - диафрагма для выхода холодного
газа
Для совершенствования вихревых труб можно предпринять следующие меры:
1. Обеспечение ламинарности входного и выходного потоков и требования к гладкости внутренних поверхностей устройства для уменьшения или предотвращения возникновение турбу-лентностей, перемешивающих уже разделённые слои.
2. Рабочий поток не должен делать слишком много оборотов: практически всё разделение происходит на первых витках, и дальнейшее движение будет лишь приводить к ненужным потерям на трение и увеличивать аэро/гидродинамическое сопротивление, затрудняя работу нагнетателя. Однако, чем выше плотность потока, тем труднее бу-
дет идти разделение и тем больше оборотов надо будет сделать.
3. В наибольшей степени эффект Ранка должен проявляться для разреженного газа, свойства которого близки к свойствам идеального газа. При возрастании плотности газа и тем более при использовании жидкостей сокращение свободного пробега частиц и повышение вязкости среды становится существенным фактором, наряду с турбулентностью ухудшающим температурное разделение исходного потока.
4. Оптимальная скорость потока должна быть соизмерима со скоростью теплового движения его частиц. Слишком высокая скорость приведёт к тому, что все частицы будут отбрасываться к внешней стенке, и у внутренней стенки образуется бесполезная область вакуума, а слишком низкая ухудшит разделение частиц по их скоростям.
Кроме простоты конструкции и большой производительности вихревые трубы не содержат движущихся деталей, и это обеспечивает им высокую надёжность и долгий срок службы. Вибрация и положение в пространстве практически не оказывают влияния на работу вихревой трубы. Мощный поток воздуха хорошо предотвращает обмерзание, а эффективность вихревых труб слабо зависит от температуры входного потока. Очень важно и практическое отсутствие принципиальных температурных ограничений, связанных с переохлаждением, перегревом или замерзанием рабочего тела. В некоторых случаях играет свою роль возможность достижения рекордно высокого температурного разделения на одной ступени. Обычно одна ступень охлаждает воздух на 50..80°С.
Современные представления о вихревом движении и причинах формирования спиральных пространственных вихревых структур базируются на математических моделях, анализ которых демонстрирует неустойчивость и нестабильность вихревых спиральных структур при числе вихревых нитей более трех, поэтому наиболее перспективным с точки зрения практического применения теории вихрей является экспериментальное и математическое исследование их устойчивости. Анализ использования рекуперативных теплообмен-ных аппаратов на основе вихревого эффекта на промышленных предприятиях показал их преимущества по сравнению с теплообменными аппаратами других типов за счет относительной простоты конструкции, пониженной металлоемкости и высоких удельных эксплуатационных характеристиках.
Рисунок 3 - Формирование потока в трубе Ранка-Хильша, расчитанные в среде Flo Simulation: а) -
скорости; б) - температуры
Рисунок 3 - Скорости потока в трубе Ранка-Хильша, расчитанные в среде Flo Simulation
Исследования работы физической модели струй-но-вихревого рекуперативного теплообменного аппарата, проведенного при численном CFD моделировании показали, что эффективность теплоотдачи конвекцией возрастает при увеличении температуры нагретой стенки рекуперативного тепло-обменного аппарата и увеличении числа распорок - завихрителей, мощность теплообменного аппарата также увеличивается, что связано с увеличением коэффициента теплоотдачи [5].
Вихревой эффект применяется в устройствах, предназначенных для нагрева, в которых в качестве рабочей среды используются жидкости, например, установки ЮСМАР. Очевидно, применение жидкостных устройств обусловлено лучшими теплофизическими свойствами и меньшей шумностью их работы по сравнению с газовыми, характеризующиеся меньшими скоростями рабочего тела.
Анализ многочисленных результатов исследований ученых позволил выявить основные среднеинтегральные характеристики вихревых труб, критериальную базу геометрического подобия и рекомендации по их проектированию. К основным характеристикам оценки вихревого эффекта относятся:
1. Избыточная температура охлаждения, которая определяется как разность температур охлажденного потока и температуры входного потоков.
2. Избыточная температура нагрева, которая определяется как разность температур нагретого потока и температуры входного потоков.
3. Доля охлажденного потока, которая определяется как соотношение массовых расходов охлажденного и входного потоков.
Большая часть данных экспериментальных исследований, проведенные различными авторами, выявили следующие экстремумы по избыточным температурам:
- при значениях доли охлажденного потока -0,2...0,3 наблюдается наиболее эффективное охлаждение;
- при значениях доли охлажденного потока -
0.6.0.7.наблюдается наиболее эффективный нагрев.
Исследования эффекта Ранка-Хильша продолжаются, что связано с отсутствием полного и законченного объяснения этого явления. Необходимо проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований для придания статуса теории. Исключительно важным являются исследования в области вихревых потоков с целью использования в энергетических и теплотехнических аппаратах и устройствах.
Литература
1. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федеральный закон Российской Федерации от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013)// Сборник Федеральных конституционных законов и федеральных законов. -М., 2009. - Вып.12
2.Гуцол А.Ф. Эффект Ранка /Успехи физических наук.-1997, том167,№6
3. Лаптев А.Г., Н.А. Николаев Н.А., Башаров М.М. Методы интенсификации и моделирования тепломассооб-менных процессов. Учебно-справочное пособие. - М.: «Теплотехник», 2011. - 335 с.
4.Лунева, С. К., Решение вопросов энергосбережения и энергоэффективности при применении тепловых насосов // Технико-технологические проблемы сервиса. 2014.-№3(29)
5. Энергосбережение в системах жизнеобеспечениязда-ний и сооружений/ Г.В.Лепеш.- СПб.:Изд-во СПбГ-ЭУ,2014.-437с
6 Ляндзберг А. Р. Вихревые теплообменники и конденсация в закрученном потоке. [Текст] / А. Р. Ляндзберг, А. С. Латкин // — Петропавловск Камчатский: Камчатка ГТУ, 2004. — 149 с.
7.Коркодинов. Я.А., Хурматуллин О.Г. Применение эффекта Ранка - Хильша Пермский национальный исследовательский политехнический университет
8. Агеев К. В., Денисова А. Е. Одесский национальный политехнический университет Струйно-вихревые рекуператоры для энергосберегающих технологий/ Холо-дильна техшка та технолопя, 51 (4), 2015
