Роторный утилизатор теплоты:
результаты экспериментальных исследований

М. Г. Тарабанов, канд. техн. наук, директор НИЦ «Инвент», вице-президент НП «АВОК»

П. С. Прокофьев, ведущий инженер НИЦ «Инвент», otvet@abok.ru

В предыдущей статье [1] авторы представили роторный пластинчатый утилизатор теплоты (РПУТ) для одновременного увлажнения и нагревания воздуха с отрицательной температурой низкопотенциальным теплоносителем при прямом контакте воздуха и воды.

Приведенные в статье результаты экспериментальных исследований лабораторного образца РПУТ полностью подтвердили принципиальную возможность и целесообразность осуществления одновременного увлажнения и нагревания воздуха с температурой –22 °C и ниже до +10…+12 °C теплоносителем с температурой не выше +45 °C без опасности размораживания и разрушения оборудования. Однако для практического внедрения РПУТ в системах вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо было провести испытания опытно-промышленных образцов аппарата и дать методику инженерного расчета. Такая работа была выполнена специалистами НИЦ «Инвент».

Для проведения испытаний был разработан и изготовлен испытательный стенд, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема испытательного стенда

Наружный воздух подавался в РПУТ через приемную секцию приточной установки, присоединенной к воздухозабору. Для создания равномерного скоростного поля в сечении испытываемого утилизатора теплоты перед ним и после него были предусмотрены участки стабилизации потока. Для стабилизации потока на входе в воздуховод была установлена выравнивающая решетка. Изменение расхода воздуха осуществлялось с помощью воздушного клапана с ручным приводом в приемной секции приточной установки.

Для измерения параметров воздуха на входе в РПУТ использовались датчики относительной влажности и температуры фирмы «Jumo» и, для контроля, ртутные термометры. Температура воды измеряется термометрами сопротивления на входе и выходе из теплообменника, встроенного в поддон.

Для получения необходимого низкотемпературного теплоносителя на входе в РПУТ были предусмотрены два бака: бак-аккумулятор, в который сливалась вода из змеевика, и бак с размещенным в нем змеевиковым теплообменником.

Высокотемпературный теплоноситель подавался от жидкотопливного водогрейного котла в теплообменник, установленный во втором баке. Уровень воды поддерживался за перемычкой, обеспечивающей переток воды из бака-аккумулятора. Автоматическое поддержание заданной температуры теплоносителя на подаче в РПУТ обеспечивалось трехходовым смесительным клапаном, установленным на выходе из баков. Расход низкотемпературного теплоносителя измерялся вихревым расходомером. Регулирование расхода низкотемпературного теплоносителя через РПУТ осуществлялось балансировочным вентилем, установленным на напорной линии. Для измерения гидравлического сопротивления змеевикового теплообменника на входе и выходе из него были предусмотрены показывающие манометры.

Весь стенд до выходного измерительного участка, а также все трубопроводы были покрыты теплоизоляционным материалом толщиной 10 мм, участок с отрицательными температурами (от воздухозабора до утилизатора теплоты) – 20 мм.

В соответствии с техническим заданием были исследованы аппараты с проточной схемой подачи воды питьевого качества (РПУТп) и со встроенным в поддон змеевиковым теплообменником (РПУТз), с диаметром дисков 330 и 400 мм. Забегая вперед, отметим, что аппарат со встроенным теплообменником является универсальным и более предпочтительным, хотя при определенных условиях возможно применение и аппарата с проточной схемой, основным недостатком которой является разрыв струи жидкости в поддоне и появление самотечных линий теплоносителя, что требует установки промежуточной емкости и дополнительного насоса.

Расходы и параметры обрабатываемого воздуха и теплоносителя изменяли в следующих пределах:

• расход воздуха от 3000 до 8000 м³/ч;
• расход теплоносителя от 4 до 8 м³/ч;
• начальная температура воздуха непосредственно на входе в аппарат от –10 до –25 °C;
• начальная температура воды, подаваемой в аппарат, от +25 до +45 °C;
• конечная температура воды, получаемая на выходе из аппарата, от +5 до +15 °C.

Для инженерного расчета РПУТ удобно использовать традиционно применяемые в технике кондиционирования воздуха коэффициенты эффективности, с помощью которых реальный аппарат сравнивается с идеальным.

Относительная влажность воздуха на выходе из РПУТ практически равна 100%, поэтому для построения процесса обработки на J-d диаграмме и определения параметров воздуха достаточно одного коэффициента эффективности вида:

где t₁ и t₂– температура воздуха на входе и на выходе из РПУТ соответственно, °C;
t_w1– начальная температура воды на входе в поддон в РПУТп или в змеевиковый теплообменник в РПУТз, °C.

Теоретический анализ и эксперименты, проведенные на лабораторном стенде [1], показывают, что на процесс тепломассообмена в РПУТ влияют:

• скорость потока воздуха, которую удобно относить к фронтальному сечению, м/с;
• расход теплоносителя, отнесенный к расходу воздуха, который принято называть коэффициентом орошения B, кг воды/кг воздуха;
• частота вращения ротора, которую в проведенных экспериментах изменяли от 6 до 15 об/мин.

Зависимости коэффициента эффективности от скорости воздуха, коэффициента орошения и частоты вращения ротора для опытно-промышленных образцов РПУТ показаны на рис. 2, 3 и 4.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента эффективности от скорости потока воздуха во фронтальном сечении

Рисунок 3. Зависимость коэффициента эффективности от коэффициента орошения

Рисунок 4. Зависимость коэффициента эффективности от скорости вращения ротора

По результатам проведенных испытаний разработана методика инженерного расчета РПУТ и сделаны следующие выводы:

• опытно-промышленные образцы РПУТ обеспечивают увлажнение и нагрев воздуха с начальной температурой –22 °C и ниже до +5…+12 °C низкопотенциальным теплоносителем с температурой +30…+45 °C с высокой эффективностью и надежностью без опасности размораживания и разрушения;
• регулирование теплоотдачи в РПУТ рекомендуется осуществлять изменением частоты вращения ротора, а также изменением температуры теплоносителя, подаваемого в поддон аппарата или во встроенный в поддон змеевик;
• в теплый период года в аппарате обеспечивается адиабатное увлажнение и охлаждение воздуха.

Методику инженерного расчета РПУТ удобно рассмотреть на конкретных примерах.

Пример

Необходимо подобрать роторный утилизатор теплоты для центрального кондиционера. Исходные данные:

• барометрическое давление Р_бар = 99 кПа;
• расход приточного воздуха L = 4500 м³/ч;
• начальные параметры воздуха t₁ = –28 °C, j₁ = 100%;
• параметры внутреннего воздуха t_в = +20 °C, j_в = 40%;
• источник теплоты – обратная вода из системы теплоснабжения t_w = +70 °C;
• влаговыделения в помещении незначительные, ими можно пренебречь.

По J-d диаграмме или аналитически определяем влагосодержание приточного воздуха при t_в = +20 °C и j_в = 40%: d_п = 5,93 г/кг с.в.

По приложению [2] находим значение температуры точки росы t_p = +6,0 °C, то есть требуемые параметры воздуха на выходе из РПУТ t₂ = t_p = +6,0 °C и j₂ = 100%, J₂ = 20,9 кДж/кг.

Температура приточного воздуха из расчета воздухообмена и воздухораспределения t_п = +12 °C, при этом плотность приточного воздуха равна [2] r = 1,205 кг/м³.

Массовый расход воздуха в кондиционере:

G_п = L · r = 4 500 · 1,205 = 5 420 кг/ч.

Внутренние поперечные размеры центрального кондиционера по распечаткам фирмы-изготовителя: ширина 1200 мм, высота 640 мм. Габаритная высота РПУТз с дисками диаметром 330 мм составляет 550 мм, а с дисками диаметром 400 мм – 625 мм. Высота фронтального сечения для прохода воздуха в РПУТ330 – 230 мм, в РПУТ400 – 280 мм.

Принимаем максимальную скорость воздуха в набегающем потоке 6 м/с и вычисляем ширину фронтального сечения для прохода воздуха:

Полученные данные показывают, что в центральном кондиционере можно установить РПУТз с дисками диаметром как 330, так и 400 мм. Принимаем для дальнейшего расчета диски 400 мм и устанавливаем мотор-редуктор на боковой стенке аппарата, для чего необходимо свободное пространство 280 мм. Тогда фактическая ширина фронтального сечения для прохода воздуха составит

Ш₄₀₀ = 1,200 – 0,28 = 0,920 м,

а скорость воздуха

По графику на рис. 2 при v_фр = 4,85 м/с находим Е = 0,515 и по графику на рис. 3 находим соответствующее значение коэффициента В = 0,82 кг воды/кг воздуха.

Определяем расход воды через змеевиковый теплообменник:

G_w = B · G_пр = 0,82 · 5 420 = 4 440 кг/ч.

Определяем начальную температуру теплой воды на входе в змеевик при коэффициенте эффективности Е = 0,515:

Строим процесс обработки воздуха на J-d диаграмме (рис. 5) и определяем начальное и конечное значения энтальпии обрабатываемого воздуха J_н = –27,448 кДж/кг.

Рисунок 5. Процесс обработки воздуха на J-d диаграмме

Количество теплоты, требуемой для нагревания воздуха:

Q_в = G_пр(J_к – J_н) = 72,84 кВт.

Определяем конечную температуру воды на выходе из змеевикового теплообменника из теплового баланса:

Заключение

1. Полученные результаты полностью подтвердили возможность прямого и одновременного увлажнения холодного воздуха низкотемпературным теплоносителем с помощью роторного пластинчатого утилизатора теплоты в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха.

2. Применение РПУТ позволяет реально использовать в качестве источника теплоты тепловые насосы, дающие низкопотенциальный теплоноситель, не только в системах отопления, но и в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

3. При использовании РПУТ очень просто и с высокой надежностью решается вопрос защиты первого подогрева от размораживания.

4. Применение РПУТ позволяет значительно снизить температуру обратной воды в системах централизованного теплоснабжения и перейти на более энергоэффективный температурный график.

Литература

1. Тарабанов М.Г., Прокофьев П.С. Нагревание и увлажнение воздуха в системах вентиляции и кондиционирования воздуха // АВОК.– 2010.– № 6.
2. Влажный воздух. Справочное пособие ABOK. № 1.– М., 2004.