Экспериментальное исследование регенеративного теплообменника и анализ тепловых процессов.
УДК 697.921.4
Экспериментальное исследование регенеративного теплообменника и анализ
тепловых процессов.
Васильев В. А. vasiahat.@email.ru, Каменецкий К.К. bigben.spb@mail.ru.
Санкт – Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий.
Представлены результаты исследования тепловых процессов двух
регенеративных теплоутилизаторов. Вентилятор, в обеих конструкциях
одинаковый, с возможностью изменения направления подачи воздуха,
геометрические и теплофизические параметры регенеративной насадки
разные.
Получены
численные
значения
коэффициентов
регенерации/аккумуляции для теплого и холодного времени года для двух
установок. Сформулированы рекомендации по согласованию характеристик
вентилятора и насадки.
Ключевые слова: регенеративный теплообменник, теплоутилизатор,
термическая
эффективность
регенератора,
коэффициент
регенерации/аккумуляции.
Experimental research of a heat processes in regenerative heat exchanger.
Vasilyev V. vasiahat.@email.ru, Kamenetsky K. bigben.spb@mail.ru.
Saint-Petersburg state university of refrigeration and food engineering.
Regenerative heat exchangers with different regenerative cartridges are the objects of the heat research in this article. These regenerative cartridges are made of a different material. They are of a different form and also they have different areas of passage. Fan, with is used in regenerative heat exchangers is the same for both. It has a possibility for reverse operating. During the experimental research the regenerating/accumulating coefficient which shows the termal efficiency of these heat exchangers was measured. Also the conclusions of corresponding fan and regenerative cartridge are given in this article.
Key words: Regenerative heat exchanger, termal efficiency, regenerating/accumulating coefficient.
К числу важных проблем, стоящих перед разработчиками систем вентиляции, относится проблема экономии энергоресурсов.
Потери энергии, связанные с удаляемым теплым воздухом при вентиляции бытовых и жилых помещений, составляют до 70% всех затрат на отопление и вентиляцию. Поэтому проблема утилизации тепловой энергии воздуха, удаляемого из помещений при вентиляции, является крайне актуальной.
Одним из наиболее перспективных технических решений этой проблемы является применение в системах вентиляции стационарных переключающихся регенеративных теплоутилизаторов (СПРТ).
Данный тип утилизатора предназначен для установки в жилых и офисных помещениях. Регенератор состоит из теплоизолированного цилиндрического корпуса, в котором установлена регенеративная насадка и реверсивный осевой вентилятор. Через определенные промежутки времени происходит переключение подачи воздуха с прямой на реверсивную, что позволяет регенеративной насадке сначала накопить теплоту, а затем отдать ее воздуху, попадающему в помещение извне. Принципиальная конструкция СПРТ представлена на рис.1.
Рис.1. Конструкция СПРТ. Показателем эффективности теплообмена между воздухом и насадкой в СПРТ является коэффициент регенерации (или аккумуляции). Под коэффициентом регенерации можно понимать термический КПД регенератора, который является интегральной характеристикой эффективности теплообмена. Этот коэффициент показывает, какую часть теплоты удаляемого воздуха смогла накопить, а потом отдать воздуху регенеративная насадка. На рис.2 схематически показана диаграмма изменения температуры воздуха в торцевых сечениях регенератора - и при установившемся режиме работы.
Рис.2. Изменение температуры воздуха в торцевых сечениях регенератора.
Тout – Температура холодного потока, Тin – температура горячего потока, ТI и ТII –значения температуры воздуха в сечениях - и соответственно. Площади заштрихованных участков диаграммы пропорциональны теплоте аккумулированной насадкой – Q’ак за период времени τак и теплоте регенерируемой насадкой – Q’рег за период времени τрег.
Регенерируемая и аккумулируемая регенератором теплота вычисляются по следующим формулам:
(1) (2)
где
- расход воздуха на этапе аккумуляции; - расход воздуха на этапе
регенерации; – регенерированная теплота; - аккумулированная
теплота; - удельная теплоемкость воздуха.
Максимальное количество теплоты, которое может
быть
аккумулировано и регенерировано за время пропорционально площади
(Tin-Tout)τц , поэтому коэффициент регенерации - Крег и коэффициент аккумуляции - Как вычисляются по формулам:
(9) (10)
В общем случае длительность циклов регенерации и аккумуляции может быть разной. То же самое можно сказать и относительно расходов воздуха в этих циклах.
Ниже приведены результаты исследования регенеративных теплоутилизаторов УВРК-30 (производитель НПФ «Экотерм», РФ) и inVENTer (производитель Германия), отличающихся друг от друга только, материалом и геометрией насадок. Конструктивные и теплофизические параметры обеих насадок приведены в таблице №1. и на рис.3. Продолжительность цикла, за которое принять время подачи воздуха в одном направлении, у регенераторов одинаково и составляет семьдесят секунд.
Таблица №1. Геометрические и теплофизические параметры регенеративных насадок.
Параметр насадки
Форма поперечного сечения насадки Определяющий размер поперечного сечения
Обозначение d,a
Ед. измерения
-
м
Образец
УВРК-30
inVENTer
круг квадрат
диаметр 0,175 сторона 0,136
Плотность материала насадки
Теплоемкость материала насадки Коэффициент теплопроводности материала насадки
Длина насадки
Количество каналов в насадке
Cp(н)
l n
кг/м3 Дж/(кг К)
Вт/(м К) м -
1400 2000
0,4 0,175 2300
2200 900
1,4 0,15 900
Рис.3. Поперечное сечение каналов насадки.
где 1 - насадка регенератора inVENTer, 2 - насадка регенератора УВРК-30. В обеих конструкциях использовался одинаковый осевой реверсивный вентилятор 4312GL фирмы embpapst, основные параметры которого показаны в таблице №2.
Таблица №2. Основные параметры вентилятора.
Параметр Диаметр рабочего колеса Диаметр ступицы Ширина рабочего колеса Количество лопаток Максимальный расход воздуха Номинальная частота вращения Напряжение питания Диапазон рабочей температуры
Номинальная мощность
Значение 0,12м 0,05м 0,032м 5шт
93м3/час 1550 об/мин
6….15 В от -20 до +75ºС
1,2 Вт
Вентилятор, установленный в регенераторах работает на трех скоростях вращения, которые отличаются от номинальной - паспортной. Частоты вращения были измерены при работе вентилятора без нагрузки с помощью измерительного комплекса, в состав которого входили светодиодный датчик, приемник сигнала и осциллограф Tektronix TDS 2014B.
Основной геометрической характеристикой насадки является коэффициент действительного проходного сечения,
= Sпрох/Sобщ где
(5)
Sпрох – суммарная площадь проходного сечения каналов, Sобщ- общая площадь поперечного сечения насадки
= 0,7785 - для регенератора inVENTer
= 0,4827 - для регенератора УВРК-30.
Экспериментальный стенд представляет собой трубу диаметром 125 мм.
внутри которой установлен регенеративный
теплоутилизатор.
Теплоутилизатор изолирован от внешних источников теплоты
дополнительным слоем изоляции. На исследуемой установке закреплено по
два датчика температуры у выхода воздушного потока в помещение
(внутренние датчики) и два снаружи у входа воздушного потока в
регенератор (внешние датчики). Сигналы от датчиков температуры идут на
аналого-цифровой преобразователь L-card E 14-140 который снимает
показания в реальном времени и в последствии передает их на компьютер.
Методика испытаний состояла в следующем, на трех различных скоростях
вращения вентилятора происходил замер температур во входном и
выходном сечении регенератора. Время измерения составило 700 секунд это
10 циклов по 70 секунд. Схема экспериментального стенда представлена на
рис. 4.
Рис. 4. Схема экспериментального стенда. По результатам измерения температур были построены графики изменения температуры воздушного потока в торцевых сечениях регенератора от времени. Для регенератора inVENer, результаты эксперимента представлены на рис.5 – рис.7. Для УВРК-30 результаты представлены на рис.8- рис.10.
Рис. 5. Температура в торцевых сечениях регенератора inVENTer (первая скорость).
Рис. 6. Температура в торцевых сечениях регенератора inVENTer (вторая скорость).
Рис. 7. Температура в торцевых сечениях регенератора inVENTer (третья скорость).
Рис. 8. Температура в торцевых сечениях регенератора УВРК-30 (первая скорость). .
Рис. 9. Температура в торцевых сечениях регенератора УВРК-30 (вторая скорость).
Рис. 10. Температура в торцевых сечениях регенератора УВРК-30 (третья скорость).
При смене направления движения воздуха в утилизаторе температура в одном из сечений изменяется по криволинейной зависимости, а в другом сечении после резкого скачка остается неизменной и равной температуре помещения. Вследствие тепловой инерции датчиков температуры и неполной ассимиляцией свежего воздуха, попадающего в помещение, вместо участка с постоянной температурой образуется участок с криволинейным изменением температуры. Для адаптации расчетной модели заменим криволинейный участок гистограммы прямолинейным с температурой равной средней на криволинейном участке, как показано на рис.11.
Рис. 11. Адаптированная модель расчета коэффициента регенерации/аккумуляции.
На основе данной модели были рассчитаны коэффициенты регенерации и аккумуляции, которые представлены в таблице №3 и были получены при температуре наружного воздуха -8 ºС и температуры в помещении 17 ºС.
Таблица №3. Коэффициенты регенерации и аккумуляции.
Величина
Коэффициент регенерации Коэффициент аккумуляции
Скорость вентилятора
1 УВРК-30 inVENTer
0,654
0,624
0,912
0,763
2 УВРК-30 0,603
0,881
3 inVENTer УВРК-30
0,487
0,547
0,596
0,887
inVENTer 0,447
0,524
Исследования также проводились и в теплый период года, когда температура наружного воздуха составляет 8ºС, а в помещении 21 ºС, а расчетные значения коэффициентов регенерации/аккумуляции представлены в таблице №4.
Таблица №4. Коэффициенты регенерации и аккумуляции для теплого периода года.
Величина
Коэффициент регенерации Коэффициент аккумуляции
Скорость вентилятора
1 УВРК-30 inVENTer
0,675
0,645
0,920
0,776
2 УВРК-30 0,616
0,904
3 inVENTer УВРК-30
0,505
0,576
0,611
0,875
inVENTer 0,454
0,516
При анализе значений коэффициентов видно, что коэффициент регенерации у теплоутилизатора УВРК-30 больше чем у регенератора inVENTer, на всех скоростях подачи воздуха. Высокие значения коэффициента регенерации у теплоутилизатора УВРК-30 обусловлено меньшим значением коэффициента действительного проходного сечения. С увеличением коэффициента проходного сечения уменьшается интенсивность теплообмена в теплоиспользующей насадке, а расход воздуха увеличивается вследствие уменьшения аэродинамического сопротивления. В установке немецкого производства большие значения расхода воздуха на второй и третьей скорости приводят к превышению допустимых значений скорости в помещении. Существенное отличие коэффициента регенерации от коэффициента аккумуляции обуславливается неравенством расходов воздуха при прямом и обратном цикле. Неравенство расходов возникает из - за разного напора, создаваемого вентилятором при прямой и обратной подаче, вследствие несимметричного профиля лопаток вентилятора. Улучшить
эффективность работы теплоутилизаторов можно путем выравнивания расходов воздуха на всасывание и нагнетание. Этого можно достигнуть путем изменения скорости вращения лопастей вентилятора, изменением продолжительности циклов аккумуляции/регенерации, либо изменением профиля лопаток на симметричный.
Увеличение коэффициента регенерации с увеличением скорости обуславливается увеличением коэффициента теплоотдачи α, который напрямую зависит от скорости потока. Чем меньше скорость, тем больше дисбаланс между коэффициентом регенерации и аккумуляции и тем меньше теплосъем с регенеративной насадки.
Список литературы.
1. СНиП 31-01-2003. "Жилые здания".
2. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, при прямотоке и
перекрестном токе. Пер. с нем.- М.: Энергоиздат, 1981. – 384 с.
3. Сайт производителя вентилятора www.embpapst.com.
Экспериментальное исследование регенеративного теплообменника и анализ
тепловых процессов.
Васильев В. А. vasiahat.@email.ru, Каменецкий К.К. bigben.spb@mail.ru.
Санкт – Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий.
Представлены результаты исследования тепловых процессов двух
регенеративных теплоутилизаторов. Вентилятор, в обеих конструкциях
одинаковый, с возможностью изменения направления подачи воздуха,
геометрические и теплофизические параметры регенеративной насадки
разные.
Получены
численные
значения
коэффициентов
регенерации/аккумуляции для теплого и холодного времени года для двух
установок. Сформулированы рекомендации по согласованию характеристик
вентилятора и насадки.
Ключевые слова: регенеративный теплообменник, теплоутилизатор,
термическая
эффективность
регенератора,
коэффициент
регенерации/аккумуляции.
Experimental research of a heat processes in regenerative heat exchanger.
Vasilyev V. vasiahat.@email.ru, Kamenetsky K. bigben.spb@mail.ru.
Saint-Petersburg state university of refrigeration and food engineering.
Regenerative heat exchangers with different regenerative cartridges are the objects of the heat research in this article. These regenerative cartridges are made of a different material. They are of a different form and also they have different areas of passage. Fan, with is used in regenerative heat exchangers is the same for both. It has a possibility for reverse operating. During the experimental research the regenerating/accumulating coefficient which shows the termal efficiency of these heat exchangers was measured. Also the conclusions of corresponding fan and regenerative cartridge are given in this article.
Key words: Regenerative heat exchanger, termal efficiency, regenerating/accumulating coefficient.
К числу важных проблем, стоящих перед разработчиками систем вентиляции, относится проблема экономии энергоресурсов.
Потери энергии, связанные с удаляемым теплым воздухом при вентиляции бытовых и жилых помещений, составляют до 70% всех затрат на отопление и вентиляцию. Поэтому проблема утилизации тепловой энергии воздуха, удаляемого из помещений при вентиляции, является крайне актуальной.
Одним из наиболее перспективных технических решений этой проблемы является применение в системах вентиляции стационарных переключающихся регенеративных теплоутилизаторов (СПРТ).
Данный тип утилизатора предназначен для установки в жилых и офисных помещениях. Регенератор состоит из теплоизолированного цилиндрического корпуса, в котором установлена регенеративная насадка и реверсивный осевой вентилятор. Через определенные промежутки времени происходит переключение подачи воздуха с прямой на реверсивную, что позволяет регенеративной насадке сначала накопить теплоту, а затем отдать ее воздуху, попадающему в помещение извне. Принципиальная конструкция СПРТ представлена на рис.1.
Рис.1. Конструкция СПРТ. Показателем эффективности теплообмена между воздухом и насадкой в СПРТ является коэффициент регенерации (или аккумуляции). Под коэффициентом регенерации можно понимать термический КПД регенератора, который является интегральной характеристикой эффективности теплообмена. Этот коэффициент показывает, какую часть теплоты удаляемого воздуха смогла накопить, а потом отдать воздуху регенеративная насадка. На рис.2 схематически показана диаграмма изменения температуры воздуха в торцевых сечениях регенератора - и при установившемся режиме работы.
Рис.2. Изменение температуры воздуха в торцевых сечениях регенератора.
Тout – Температура холодного потока, Тin – температура горячего потока, ТI и ТII –значения температуры воздуха в сечениях - и соответственно. Площади заштрихованных участков диаграммы пропорциональны теплоте аккумулированной насадкой – Q’ак за период времени τак и теплоте регенерируемой насадкой – Q’рег за период времени τрег.
Регенерируемая и аккумулируемая регенератором теплота вычисляются по следующим формулам:
(1) (2)
где
- расход воздуха на этапе аккумуляции; - расход воздуха на этапе
регенерации; – регенерированная теплота; - аккумулированная
теплота; - удельная теплоемкость воздуха.
Максимальное количество теплоты, которое может
быть
аккумулировано и регенерировано за время пропорционально площади
(Tin-Tout)τц , поэтому коэффициент регенерации - Крег и коэффициент аккумуляции - Как вычисляются по формулам:
(9) (10)
В общем случае длительность циклов регенерации и аккумуляции может быть разной. То же самое можно сказать и относительно расходов воздуха в этих циклах.
Ниже приведены результаты исследования регенеративных теплоутилизаторов УВРК-30 (производитель НПФ «Экотерм», РФ) и inVENTer (производитель Германия), отличающихся друг от друга только, материалом и геометрией насадок. Конструктивные и теплофизические параметры обеих насадок приведены в таблице №1. и на рис.3. Продолжительность цикла, за которое принять время подачи воздуха в одном направлении, у регенераторов одинаково и составляет семьдесят секунд.
Таблица №1. Геометрические и теплофизические параметры регенеративных насадок.
Параметр насадки
Форма поперечного сечения насадки Определяющий размер поперечного сечения
Обозначение d,a
Ед. измерения
-
м
Образец
УВРК-30
inVENTer
круг квадрат
диаметр 0,175 сторона 0,136
Плотность материала насадки
Теплоемкость материала насадки Коэффициент теплопроводности материала насадки
Длина насадки
Количество каналов в насадке
Cp(н)
l n
кг/м3 Дж/(кг К)
Вт/(м К) м -
1400 2000
0,4 0,175 2300
2200 900
1,4 0,15 900
Рис.3. Поперечное сечение каналов насадки.
где 1 - насадка регенератора inVENTer, 2 - насадка регенератора УВРК-30. В обеих конструкциях использовался одинаковый осевой реверсивный вентилятор 4312GL фирмы embpapst, основные параметры которого показаны в таблице №2.
Таблица №2. Основные параметры вентилятора.
Параметр Диаметр рабочего колеса Диаметр ступицы Ширина рабочего колеса Количество лопаток Максимальный расход воздуха Номинальная частота вращения Напряжение питания Диапазон рабочей температуры
Номинальная мощность
Значение 0,12м 0,05м 0,032м 5шт
93м3/час 1550 об/мин
6….15 В от -20 до +75ºС
1,2 Вт
Вентилятор, установленный в регенераторах работает на трех скоростях вращения, которые отличаются от номинальной - паспортной. Частоты вращения были измерены при работе вентилятора без нагрузки с помощью измерительного комплекса, в состав которого входили светодиодный датчик, приемник сигнала и осциллограф Tektronix TDS 2014B.
Основной геометрической характеристикой насадки является коэффициент действительного проходного сечения,
= Sпрох/Sобщ где
(5)
Sпрох – суммарная площадь проходного сечения каналов, Sобщ- общая площадь поперечного сечения насадки
= 0,7785 - для регенератора inVENTer
= 0,4827 - для регенератора УВРК-30.
Экспериментальный стенд представляет собой трубу диаметром 125 мм.
внутри которой установлен регенеративный
теплоутилизатор.
Теплоутилизатор изолирован от внешних источников теплоты
дополнительным слоем изоляции. На исследуемой установке закреплено по
два датчика температуры у выхода воздушного потока в помещение
(внутренние датчики) и два снаружи у входа воздушного потока в
регенератор (внешние датчики). Сигналы от датчиков температуры идут на
аналого-цифровой преобразователь L-card E 14-140 который снимает
показания в реальном времени и в последствии передает их на компьютер.
Методика испытаний состояла в следующем, на трех различных скоростях
вращения вентилятора происходил замер температур во входном и
выходном сечении регенератора. Время измерения составило 700 секунд это
10 циклов по 70 секунд. Схема экспериментального стенда представлена на
рис. 4.
Рис. 4. Схема экспериментального стенда. По результатам измерения температур были построены графики изменения температуры воздушного потока в торцевых сечениях регенератора от времени. Для регенератора inVENer, результаты эксперимента представлены на рис.5 – рис.7. Для УВРК-30 результаты представлены на рис.8- рис.10.
Рис. 5. Температура в торцевых сечениях регенератора inVENTer (первая скорость).
Рис. 6. Температура в торцевых сечениях регенератора inVENTer (вторая скорость).
Рис. 7. Температура в торцевых сечениях регенератора inVENTer (третья скорость).
Рис. 8. Температура в торцевых сечениях регенератора УВРК-30 (первая скорость). .
Рис. 9. Температура в торцевых сечениях регенератора УВРК-30 (вторая скорость).
Рис. 10. Температура в торцевых сечениях регенератора УВРК-30 (третья скорость).
При смене направления движения воздуха в утилизаторе температура в одном из сечений изменяется по криволинейной зависимости, а в другом сечении после резкого скачка остается неизменной и равной температуре помещения. Вследствие тепловой инерции датчиков температуры и неполной ассимиляцией свежего воздуха, попадающего в помещение, вместо участка с постоянной температурой образуется участок с криволинейным изменением температуры. Для адаптации расчетной модели заменим криволинейный участок гистограммы прямолинейным с температурой равной средней на криволинейном участке, как показано на рис.11.
Рис. 11. Адаптированная модель расчета коэффициента регенерации/аккумуляции.
На основе данной модели были рассчитаны коэффициенты регенерации и аккумуляции, которые представлены в таблице №3 и были получены при температуре наружного воздуха -8 ºС и температуры в помещении 17 ºС.
Таблица №3. Коэффициенты регенерации и аккумуляции.
Величина
Коэффициент регенерации Коэффициент аккумуляции
Скорость вентилятора
1 УВРК-30 inVENTer
0,654
0,624
0,912
0,763
2 УВРК-30 0,603
0,881
3 inVENTer УВРК-30
0,487
0,547
0,596
0,887
inVENTer 0,447
0,524
Исследования также проводились и в теплый период года, когда температура наружного воздуха составляет 8ºС, а в помещении 21 ºС, а расчетные значения коэффициентов регенерации/аккумуляции представлены в таблице №4.
Таблица №4. Коэффициенты регенерации и аккумуляции для теплого периода года.
Величина
Коэффициент регенерации Коэффициент аккумуляции
Скорость вентилятора
1 УВРК-30 inVENTer
0,675
0,645
0,920
0,776
2 УВРК-30 0,616
0,904
3 inVENTer УВРК-30
0,505
0,576
0,611
0,875
inVENTer 0,454
0,516
При анализе значений коэффициентов видно, что коэффициент регенерации у теплоутилизатора УВРК-30 больше чем у регенератора inVENTer, на всех скоростях подачи воздуха. Высокие значения коэффициента регенерации у теплоутилизатора УВРК-30 обусловлено меньшим значением коэффициента действительного проходного сечения. С увеличением коэффициента проходного сечения уменьшается интенсивность теплообмена в теплоиспользующей насадке, а расход воздуха увеличивается вследствие уменьшения аэродинамического сопротивления. В установке немецкого производства большие значения расхода воздуха на второй и третьей скорости приводят к превышению допустимых значений скорости в помещении. Существенное отличие коэффициента регенерации от коэффициента аккумуляции обуславливается неравенством расходов воздуха при прямом и обратном цикле. Неравенство расходов возникает из - за разного напора, создаваемого вентилятором при прямой и обратной подаче, вследствие несимметричного профиля лопаток вентилятора. Улучшить
эффективность работы теплоутилизаторов можно путем выравнивания расходов воздуха на всасывание и нагнетание. Этого можно достигнуть путем изменения скорости вращения лопастей вентилятора, изменением продолжительности циклов аккумуляции/регенерации, либо изменением профиля лопаток на симметричный.
Увеличение коэффициента регенерации с увеличением скорости обуславливается увеличением коэффициента теплоотдачи α, который напрямую зависит от скорости потока. Чем меньше скорость, тем больше дисбаланс между коэффициентом регенерации и аккумуляции и тем меньше теплосъем с регенеративной насадки.
Список литературы.
1. СНиП 31-01-2003. "Жилые здания".
2. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, при прямотоке и
перекрестном токе. Пер. с нем.- М.: Энергоиздат, 1981. – 384 с.
3. Сайт производителя вентилятора www.embpapst.com.