Например, Бобцов

Математическая модель регенеративного теплоутилизатора

УДК 621.515
Математическая модель регенеративного теплоутилизатора
Соболь Е.В. john-stud-spb@mail.ru
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий,
факультет КТ и К, кафедра кондиционирования воздуха
В данной статье описана математическая модель регенеративного теплоутилизатора: получены зависимости для нахождения коэффициента теплоотдачи, дифференциальные уравнения для расчета процессов тепломассопереноса. Представлено описание программного модуля для решения уравнений и получения коэффициентов регенерации и аккумуляции.
Ключевые слова: коэффициент теплоотдачи, процессы тепломассопереноса, программный модуль.
В последнее время рост стоимости энергетических ресурсов и повышение требований к качеству жизни существенно обострили проблему сокращения затрат на отопление и вентиляцию бытовых и производственных помещений. Одним из решений данной задачи является использование локальных систем вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого из помещения воздуха. Важная роль в таких системах отведена регенеративному теплоутилизатору.
На рис. 1 изображен регенеративный теплоутилизатор с указанием направления движения теплоносителя. Движение воздуха попеременно осуществляется в обоих направлениях. Во всех каналах регенератора происходят одинаковые процессы теплообмена, поэтому можно рассматривать единичный канал (рис. 2). Процесс теплообмена в канале насадки является установившимся. Температура поверхности канала изменяется по длине насадки и по времени.
Примем следующие допущения: - регенератор теплоизолирован, поэтому потери тепла из насадки в окружаю-
щую среду отсутствуют; - теплообмен в насадке происходит без конденсации паров влажного воздуха; - теплофизические свойства регенератора и воздуха постоянны; - время прохождения воздуха через регенератор намного меньше, чем время
цикла.
1

Рис. 1. Конструкция стационарного регенеративного теплоутилизатора (1 — корпус регенератора; 2 — изоляционная фольга; 3 — вентилятор;
4 — теплоизоляция; 5 — регенеративная насадка).
Рис. 2. Сечение канала насадки регенеративного теплоутилизатора.
На рис. 2 изображен единичный канал насадки. Здесь: I и II — торцевые сечения насадки; Gак — расход воздуха на этапе аккумуляции (передача теплоты удаляемого воздуха насадке); Gрег — расход воздуха на этапе регенерации (передача теплоты от насадки к приточному воздуху); Tin — температура большего потенциала; Tout — температура меньшего потенциала; L — длина насадки. Расход воздуха через единичный канал насадки определяется как общий расход воздуха, отнесенный к общему количеству каналов насадки. Толщина стенки канала равна половине стенки между смежными каналами.
2

На рис. 3 приведены зависимости изменения температуры поступаемого и удаляемого воздуха в торцевых сечениях канала I и II от времени [2]. Здесь τак — время процесса аккумуляции теплоты насадкой; τрег — время процесса отдачи теплоты от насадки воздуху.

Рис. 3. Изменение температуры поступаемого и удаляемого воздуха в торцевых сечениях канала в зависимости от времени.

Рассмотрим изменение температуры воздуха в торцевом сечении канала I

за один период цикла. За период цикла будем принимать: τц = τак + τрег. За вре-

мя первого полупериода τак температура в канале сечения I постоянна и равна

внутренней температуре помещения. Через полупериод происходит изменение

направления движения воздуха и в течение времени τрег температура в сечении

изменяется по кривой, представленной на графике. После этого температура

воздуха скачком изменяется на первоначальное состояние. Далее циклы повто-

ряются.

Подобным образом происходит изменение температуры воздуха в торце-

вом сечении канала II.

Площади заштрихованных участков диаграммы пропорциональны теплоте

аккумулированной насадкой — Qак и регенерированной теплоте — Qрег.

Q ак

= Qрег ;

(1)

3

τрег

∫Q = рег

TIdτ − τTout рег ;

0

(2)

τ

ак

∫Q ак

= Tinτ ак



TIIdτ .

0

(3)

Рассмотрим выделенный элемент насадки длиной ∆z (Рис. 4). Для участка

канала ∆z составим уравнение теплового баланса для воздуха за время ∆τ.

Рис. 4. Выделенный участок канала длиной ∆z.

Количество теплоты в выделенном элементарном объеме в начальный

(предыдущий) момент времени:

( )Q1

=

1 2

TВ(

k −1) (i)

+

TВ(

k −1) ( i +1)

cВ ρВ s∆z
.

(4)

Количество теплоты в элементарном объеме через время ∆τ :

( )Q2

=

1 2

TВ( k( i))

+

TВ(

k) (i +1)

cВ ρВ s∆z
.

(5)

Теплота воздушного потока, поступившая в контрольный объем:

Q3

=

GTВ(

k) (i)



∆τ

.

(6)

4

Теплота воздушного потока, вышедшего из контрольного объема:

Q4

=

GT (k ) В (i+1)



∆τ

.

Количество теплоты участвующее в теплообмене с насадкой:

Q5

=

pα∆z∆τ

 

T (k) В (i )

+ T (k) В (i+1) 2



T (k) Н (i)

+ T (k) Н (i+1) 2

  .

(7) (8)

Здесь: TВ — температура воздуха; TН — температура насадки; s — площадь проходного сечения канала; ρВ — плотность воздуха; p — периметр проходного сечения канала; α — коэффициент теплоотдачи.
Примем, что положительными являются процессы, приводящие к уменьшению теплосодержания контрольного объема. Тогда уравнение теплового баланса имеет вид

Q4 − Q3 + Q5 = Q1 − Q2 ;

( ) ( )τT − T(k) В ( i +1)

(k) В(i)

GcВ∆

+ T − T(k ) В(i+1 2)

(k ) Н (i+1 2)

pα∆z∆τ =

( ) ρ=

T − T(k ) В(i+1 2)

(k −1) В(i+1 2)

сВ

В s∆z

(9)

Пусть ∆z → 0 и ∆τ → 0 , тогда в любом сечении воздушного канала процесс

тепломассопереноса описывается дифференциальным уравнением

GcВ

∂TВ ∂z

+ cВρВs

∂TВ ∂τ

+



(TВ

− TН

)

=

0
.

(10)

Для решения дифференциального уравнения (10) необходимо задать крае-

вые условия.

В качестве граничного условия зададим температуру воздуха на входе в

канал

TВ( z=0)

=

 

Tin

Tout

if if

G = Gак G = Gрег

.

(11)

Так как при номинальном режиме работы регенератора тепловые процессы

имеют циклический установившийся характер и не зависят от исходного тепло-

вого состояния, начальные условия могут задаваться в произвольной форме.

Для определенности примем, что при τ = 0 температура воздуха в канале

линейно изменяется от Tin до Tout , тогда начальное условие имеет вид

( )TВ(τ =0) = Tin −

Tin − Tout L

z
.

(12)

5

Составим уравнение тепломассопереноса для элементарного объема на-

садки.

Количество теплоты в элементарном объеме насадки в начальный (преды-

дущий) момент времени

( )Q6

=

1 2

TН(k(i−)1) + TН(k(i−+11))

cН ρН sН ∆z
.

(13)

Количество теплоты в элементарном объеме насадки через время ∆τ

( )Q7

=

1 2

TН(k(i)) + TН(k(i)+1)

cН ρН sН ∆z
.

(14)

Теплота, поступившая в элементарный объем насадки вследствие тепло-

проводности

Q8

=

λН sН ∆τ

T (k) Н (i)

+ T (k) Н (i−1)
∆z

.

(15)

Теплота, вышедшая из элементарного объема насадки вследствие тепло-

проводности

Q9

= λН sН ∆τ

T + T(k ) Н (i+1)

(k) Н (i)

∆z

.

(16)

Теплота, участвующая в теплообмене с воздухом

Q10 = −Q5 .

(17)

Здесь: cН — теплоемкость материала насадки; ρН — плотность материала

насадки; sН — площадь поперечного сечения насадки; λН — теплопроводность

материала насадки.

Уравнение теплового баланса для элементарного объема насадки имеет

вид

Q9 − Q8 − Q10 = Q6 − Q7 ;

( )T − 2T + T(k) Н (i+1)

(k) Н (i)

(k) Н (i−1)

( )∆z

λН сН ∆τ +

T − T(k ) Н (i+1 2)

(k)
В(i+1 2)

pα∆z∆τ =

( )=

TН(k(i)+1

2)



TН(k(

−1)
i +1

2)

cН ρН sН ∆z .

(18)

Если ∆z → 0 и ∆τ → 0 , то уравнение примет вид

λH cH

∂ 2TH ∂z 2

+ pα (TН

− TВ ) + cН ρН sН

TН ∂τ

=0
.

(19)

6

Для решения дифференциального уравнения (19) необходимо сформули-

ровать краевые условия. В допущениях было принято, что насадка теплоизоли-

рована, поэтому граничные условия можно представить в виде

 

∂TH ∂z

  z =0

=

0;

 

∂TH ∂z

  z = L

=

0
.

(20)

Начальное условие для уравнения (19) аналогично начальному условию

для уравнения (10)

( )TH (τ =0) = Tin −

Tin − Tout L

z
.

(21)

Для решения дифференциального уравнения (10) необходимо знать коэф-

фициент теплоотдачи α . Методика расчета коэффициента теплоотдачи была

взята из литературного источника [1]

α

=

Nu ⋅ λ d

,

э

(22)

где dэ — эквивалентный диаметр канала; λ – коэффициент теплопроводности воздуха; Nu – число Нуссельта.

В качестве определяющего размера используется эквивалентный диаметр

d э

=

4f П

,

(23)

где f — площадь поперечного сечения канала; П – смоченный периметр.

Для определения расчетного уравнения числа Нуссельта необходимо знать

режим движения воздуха в канале насадки. Найдем число Рейнольдса по сле-

дующей зависимости

Re

=

ρν d э η

,

(24)

где

ρ



плотность

воздуха,

ρ

= 1.2кг

/

3
м

;

υ



характерная

скорость

воздуха;

η



динамическая вязкость воздуха, η = 1.82⋅10−5 Н ⋅ с / м2 .

Для ламинарного режима движения воздуха, когда число Рейнольдса ле-

жит в пределах Re < 2 000. При таком режиме движения можно выделить вяз-

костной и вязкостно-гравитационный режимы. Они определяются через число

Релея:

Ra = Gr ⋅ Pr ,

(25)

где Gr — число Грасгофа, Pr — число Прандтля.

7

Число Прандтля для воздуха
Pr = 0.713.
Число Грасгофа

(26)

Gr

=

g

β

d

3 э

(tc

ν2

− t0 )

,

(27)

где g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; tc — температура поверхности теплообмена; t0 — температура теплоносителя; β — температурный ко-

эффициент объёмного расширения теплоносителя, ν — коэффициент кинема-

тической вязкости.

β

=

1 273 + t0

.

(28)

При условии Ra < 3⋅105 преобладает вязкостной режим и уравнения для

числа Нуссельта имеет вид

Nu

= 1.55(Pe



d вн

/

l

)

1 3

ε

l

,

(29)

где Pe — число Пекле, l — длина трубы, εl — коэффициент, учитывающий из-

менение коэффициента теплоотдачи по длине трубы.

εl

 = 1+ 0.01


l

Re /d
вн

23  

.

(30)

При условии Ra > 8⋅105 преобладает вязкостно-гравитационный режим и уравнение для числа Нуссельта имеет вид

Nu = 0,15Pe0,33Ra ε0,1 l ,

(31)

где Pe — число Пекле; Ra — число Релея; εl — поправочный коэффициент,

учитывающий изменение коэффициента теплоотдачи по длине канала.

Число Пекле

Pe

=

C

p

ρν

d э

χ

,

(32)

где Сp — теплоемкость при постоянном давлении, Сp = 1005 Дж / (кг ⋅ К ) ; χ — коэффициент теплопроводности воздуха, χ = 0,0257Вт / (м ⋅ К ) .

Для турбулентного режима движения теплоносителя, при числе Рейнольдса Re > 10 000 расчетное уравнение имеет вид

Nu = 0, 021Re0,8 Pr0,43 εl ,

(33)

8

где Pr — число Прандтля. При переходном движении воздуха 2 000 < Re < 10 000 используют урав-
нение для турбулентного режима, вводя в них поправочный множитель εпер, зависящий от значения числа Рейнольдса.
Таким образом, тепловой расчет процессов тепломассопереноса в канале регенеративного теплообменника сводится к совместному решению дифференциальных уравнений (10), (19) с краевыми условиями (11), (12) и (20), (21).
Для решения дифференциальных уравнений был применен метод разностных аналогов. Производные в уравнении (10) заменим на отношение конечных разностей. Для внутренних узлов применим интерполяцию по двум точкам, для крайнего узла применим интерполяцию по трем точкам. Это обеспечит одинаковую погрешность расчета. После подстановки в дифференциальное уравнение (10) получим уравнение для узлов пространственной и временной сеток. Подобным образом получаются уравнения для решения дифференциального уравнения (19).
Таким образом, расчет сводится к решению на каждом временном слое системы состоящей из (2n) линейных алгебраических уравнений.
В матричной форме система линейных алгебраических уравнений имеет вид

A T =b.

(34)

где A квадратная матрица коэффициентов размером 2n× 2n ; T — вектор-

столбец искомых температур размером 2n; b — вектор-столбец коэффициентов вычисляемых по результатам расчета предыдущего временного слоя размером 2n.
Матрица A является разреженной, число элементов отличных от нуля в

любой ее строке не больше четырех. Полученная система уравнений решалась

методом Гаусса с учетом разреженности матрицы. Интегралы, входящие в ус-

ловие (1) решались по методу трапеций.

Коэффициент аккумуляции теплоты:

∫ ( )K ак

= Tinτ ак



τT dτак k
0n

Tin

− Tout

τ
ак .

(35)

Коэффициент регенерации теплоты:

∫ ( )K = рег

T dττ рег k
0n

− Toutτ рег

/

Tin − Tout

τ
рег .

(36)

Результатом построения модели была разработка программы в среде Visual

Basic (Рис. 5). Для выполнения расчета необходимо задать геометрию насадки,

9

теплофизические характеристики материала насадки и теплоносителя и параметры работы регенератора. Результатом расчета в программе являются коэффициент теплоотдачи и коэффициенты аккумуляции и регенерации, а также температурные поля по временным слоям. При описанных ранее допущениях коэффициенты регенерации и аккумуляции должны быть равны. Температурные поля по временным слоям показывают характер теплообмена в каждом сечении насадки. Эта программа будет полезна для изучения теплообмена в насадке и дальнейшего совершенствования конструкции регенеративного теплоутилизатора.
Рис. 5. Интерфейс программы расчета теплообмена в регенеративном теплоутилизаторе.
10

Список литературы
1. Бараненко А.В., Бухарин Н.Н., Пекарев В.И., Сакун И.А., Тимофеевский Л.С. Холодильные машины. – Санкт-Петербург, 1997.
2. Васильев В.А., Гаврилов А.И., Каменецкий К.К., Соболь Е.В. Параметрическое исследование регенеративного теплообменника.// Вестник МАХ, 2010, №1.
Mathematical model of a regenerative heat exchanger
Sobol E.V. john-stud-spb@mail.ru
St.-Petersburg State University of Refrigeration and Food Engineering
The present paper describes a mathematical model of a regenerative heat exchanger: there are developed dependences for determination of heat transfer coefficient, differential equations to calculate heat and mass transfer. A program module to solve equations and estimate regeneration and accumulation coefficients are shown.
Keywords: heat emission coefficient, heat emission processes, program module.
11