Расчет рекуператора: ANALYSIS OF AIR-TO-AIR RECUPERATOR IN THE NORTH
ANALYSIS OF AIR-TO-AIR RECUPERATOR IN THE NORTH
Research article
Baisheva L.M.
Zhirkova М.V.
Issue: № 5 (36), 2015
Published:
2015/06/15
Баишева Л.М.1, Жиркова М.В.2
1Аспирант,
2старший преподаватель,
Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова
РАСЧЕТ ВОЗДУХО-ВОЗДУШНЫХ РЕКУПЕРАТОРОВ ДЛЯ ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНОЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Аннотация
В работе представлен расчет параметров рекуператоров, установленных в приточно-вытяжных устройствах систем вентиляции воздуха. Для расчета впервые используется температура наружного воздуха tн=-50°С, характерная для населенных пунктов в условиях Севера. Отмечено несоответствие теоретических результатов расчета с экспериментальными данными.
Ключевые слова: рекуператор, вентиляция воздуха, конденсация влаги.
Baisheva L.M.1, Zhirkova М.V.2
1Postgraduate,
2senior lecturer,
North-Eastern Federal University in Yakutsk
ANALYSIS OF AIR-TO-AIR RECUPERATOR IN THE NORTH
Abstract
The analysis of air-to-air recuperator characteristics in the North is submitted. The outdoor temperature is minus 50 degrees is for the first time used. It is noted that calculation data don’t correspond to experiment.
Keywords: recuperator, ventilation, condensation of moisture.
Затраты теплоты на подогрев приточного наружного воздуха при современных методах теплозащиты ограждающих конструкций составляют в жилых домах до 80% тепловой нагрузки на отопительные приборы, а в общественно-административных зданиях более 90%. Поэтому энергосберегающие системы отопления в современных конструкциях зданий могут быть созданы только при условии утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха.
Применение воздушных рекуператоров в суровых климатических условиях ограничено из-за возможного обмерзания вытяжной части теплообменной установки. Устранение обмерзания позволит существенно расширить температурный диапазон работы воздушных рекуператоров в области низких температур.
Для обеспечения бесперебойной работы рекуператора необходимо на его входе для наружного воздуха поддерживать температуру не ниже -20ºС. В то же время температура кипения хладагента в испарителе, находящемся в канале уходящего воздуха, не должна опускаться ниже 0… 5ºC для недопущения его обмерзания [1, 2].
В настоящий момент широко применяется общепринятая методика расчета параметров приточного и удаляемого воздуха на выходе из теплообменника на примере стационарного воздушного пластинчатого теплоутилизатора [3], представленного на рисунке 1. В качестве исходных данных начальную температуру приточного воздуха принимают равной -5°C
Однако суровые климатические условия Республики Саха (Якутия) предполагают значения температур наружного воздуха в среднем -50°C в холодный период года.
В данной работе будет рассмотрен расчет воздухо-воздушных рекуператоров для приточно-вытяжной системы вентиляции в условиях Севера по вышеуказанной методике.
Расход приточного и удаляемого воздуха 5000 кг/ч. Начальная температура удаляемого воздуха tуд.=20°С, влажность φ=25%, влагосодержание d= 3,5 г/кг, Iн= 29 кДж/кг
, tр=0,1°С, Iр=9 кДж/кг. Теплообменная поверхность рекуператора собрана из пластин, между которыми расположено оребрение δр=0,15 мм, образующие каналы в виде равносторонних треугольников (β=60º). Просвет между пластинами 3 мм. В рекуператоре подогревают приточный воздух с начальной температурой tн=-50°С, Iн=-50 кДж/кг.
Размеры фронтального сечения в каждом канале рекуператора fфр=0,7х0,7 м, глубина l=0,3 м. Схема движения теплообменивающихся сред противоточная.Рис. 1 – Схема устройства воздухо-воздушного рекуператора
Сперва определяем живое сечение для прохода воздуха по формуле
(1)
где величину параметра определяем по табл. Х.1 [3], которая равна 0,857 м2/м3:
Затем определяем площадь теплообменной поверхности в потоке удаляемого ( ) и приточного ( ) воздуха
, (2)
где по табл. Х.1. равна 1905 м2/м3:
Определяем эквивалентный диаметр теплообменника Dэкв по табл. Х.1 [3] Dэкв=1,77·10-3м и массовую скорость воздуха в живом сечении теплообменника
, (3)
Плотность удаляемого воздуха (tуд.
=20°С) ρ1=1,205 кг/м3, а плотность приточного воздуха (tн=-55°С) ρ1=1,534 кг/м3.
Скорости потоков удаляемого и приточного воздуха соответственно равны: ω1=11,02/1,205=9,145 м/с, ω2=11,02/1,534=7,187 м/с.
Определяем значения критерия Re, принимая коэффициенты кинематической вязкости ν1=15,11·10-6м2/с и ν2=9,55·10-6м2/с:
(4)
Затем определяем значения Nu по формуле:
(5)
Определяем коэффициенты теплообмена α1
(6)
Определяем показатель оребрения одной и другой поверхности по формуле:
, (7)
считая ŋр=1 и :
Определяем коэффициент теплопередачи:
(8)
Определяем коэффициент теплопередачи учитывающий тепло- и массоперенос, по формуле:
(9)
вычисляя снас по формуле:
, (10)
Для определения снас используется таблица значений коэффициентов A, B, C, D (при барометрическом давлении 101,3 кПа), зависящих от температуры наружного воздуха и относительной влажности.
Тогда получаем:
Определяем безразмерные параметры, характеризующие режимы работы теплообменников без выпадения конденсата (Fo´1 и W1) и при выпадении конденсата на поверхности (Fo´I1 и WI1):
(11)
, (12)
(13)
, (14)
Используя найденные значения определяем значения относительного перепада температур θ2 при работе теплообменника в режиме «сухого» теплообмена по формуле:
(15)
Используя найденные значения , определяем значения θI2 при работе теплообменника в режиме выпадения конденсата на всей поверхности по формуле:
(16)
Определяем температуру приточного воздуха после утилизатора при работе его в «сухом» режиме по формуле:
, (17)
Если влагосодержание удаляемого воздуха увеличить, то рекуператор будет работать в условиях выпадения конденсата на всей поверхности.
Определим температуру приточного воздуха после утилизатора при работе его в режиме с выпадением конденсата на всей поверхности при следующих параметрах удаляемого воздуха: tуд=20 ºС; d=14,5 г/кг; IТ=57 кДж/кг:
, (18)
Таким образом, по результатам расчета можно сказать, что чем ниже температура наружного воздуха, тем выше температура приточного воздуха после утилизатора с выпадением конденсата на всей поверхности. Этот вывод не соответствует экспериментальным данным. Поэтому необходимо разработать новую методику расчета температуры приточного воздуха после рекуператора с выпадением конденсата в зависимости от температуры наружного воздуха ниже -31 ºС.
- Вишневский Е.П. Особенности обеспечения эффективной работы пластинчатых теплообменников рекуперативного типа в суровых климатических условиях // С.
О.К. 2005. № 1. - Дискин М.Е. Эффективность рекуперации теплоты в системах вентиляции при температурах наружного воздуха ниже температуры опасности обмерзания. АВОК. 2006. № 4.
- Богословский В.Н. и др. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение: Учебник для вузов / В.Н. Богословский, О.Я. Кокорин, Л.В. Петров; Под ред. В.Н. Богословского. – М.: Интеграл 2014 – 367 с., ил.
О.К. 2005. № 1.References
- Vishnevskij E.P. Osobennosti obespechenija jeffektivnoj raboty plastinchatyh teploobmennikov rekuperativnogo tipa v surovyh klimaticheskih uslovijah // S.O.K. 2005. № 1.
- Diskin M.E. Jeffektivnost’ rekuperacii teploty v sistemah ventiljacii pri temperaturah naruzhnogo vozduha nizhe temperatury opasnosti obmerzanija. AVOK. 2006. № 4.
- Bogoslovskij V.N. i dr. Kondicionirovanie vozduha i holodosnabzhenie: Uchebnik dlja vuzov / V.N. Bogoslovskij, O.Ja. Kokorin, L.V. Petrov; Pod red. V.N. Bogoslovskogo. – M.: Integral 2014 – 367 s. , il.
, il.Виды рекуператоров. Теплообменник пластинчатый, пластинчатый рекуператор и другие виды теплообменников, условия их работы и особенности.
Чтобы выполнить расчет рекуператора необходимо знать следующие параметры сред участвующих в теплообмене:
1. Теплоноситель.
1.1. Состав теплоносителя для определения его теплофизических параметров в интервале рабочих температур:
· теплоёмкость Ср [дж/кГ· °С];
· плотность ρ [кГ/м3];
· кинематическая вязкость ʋ [м2/с];
· теплопроводность λ [вт/м· °С];
· критерий Прандтля Pr.
1.2. Количественные и тепловые характеристики
· объёмный расход V [нм3/час]; [кГ/час];
· температура теплоносителя на входе t’ [°C];
· допустимое аэродинамическое cопротивление Δр [Па]; [мм. вод. ст.].
1.3. Дополнительные сведения (если таковые имеются)
· содержание агрессивных веществ;
· наличие в составе пыли, ворса или других составляющих;
· допустимая минимальная температура на выходе t» [°C];
· другие.
2. Нагреваемая среда.
2.1. Состав нагреваемой среды для определения его теплофизических параметров в интервале рабочих температур:
· теплоёмкость Ср [дж/кГ· °С];
· плотность ρ [кГ/м3];
· кинематическая вязкость ʋ [м2/с];
· теплопроводность λ [вт/м· °С];
· критерий Прандтля Pr.
2.2. Количественные и тепловые характеристики нагреваемой среды:
· объёмный расход V [нм3/час]; [кГ/час];
· температура на входе t’ [°C];
· температура на выходе t» [°C];
· допустимое аэродинамическое сопротивление Δр [Па]; [мм. вод. ст.].
Расчет конструктивных размеров рекуператора производится исходя из условий создания потребной площади поверхности нагреваемой теплоносителем и омываемой потоком нагреваемой среды. Количество тепла, передаваемое нагреваемой среде через конвективный теплообмен, определяется коэффициенту теплопередачи Ко [вт/м2 · °С].
Точный расчет теплообменника сложен тем, что все теплофизические и физические параметры сред — это величины переменные и взаимозависящие. Поэтому расчет рекуператора производят на основе эмпирических данных с использованием метода критерия подобия по усредненным физическим параметрам. Методика расчета теплообменников наиболее глубоко изложена в работах акад. Михеева М.А., Кутателадзе С.С.и Барановского Н.В. Расчет выполняется по программе, в основу которой заложены основные принципы, изложенные в этих работах.
Расчет теплообменника состоит из 2-х этапов:
1. Проверка теплового баланса
Проверка теплового баланса проводится на основании заданных в техническом задании параметров теплоносителя и нагреваемой среды по формуле:
Vг· Срг·Δtг·ψ = Vв·Срв·Δtв,
где Vг и Vв — объемы теплоносителя и нагреваемой среды соответственно, [кГ/час].
Ср — теплоемкость сред, [дж/кГ· °С].
Δt — средняя температура теплоносителя и нагреваемой среды.
Δtг = t’г-t»г; Δtг = t«в-t’в
Ψ — коэффициент потерь тепла.
В случае необходимости проводится корректировка технического задания.
Далее высчитываются температурные коэффициенты «P» и «R», с помощью которых по экспериментальным графикам определяется коэффициент эффективности рекуператора «ε».
;
2. Расчет габаритов рекуператора
Расчёт конструктивных габаритов рекуператора производится по требуемой площади поверхности, которая омывается нагреваемой средой и определяется по формуле:
F = Q/(Ko·Δtcp·ε) [м2],
где Q-передаваемая мощность, кДж/час.
Ко — коэф. теплопередачи, кДж/м2 · °С.
Δtcp — средний температурный напор.
График изменения температур рабочих сред по поверхности аппарата.
ε — коэффициент эффективности рекуператора
Коэффициент теплопередачи Ко рассчитывается по общепринятой методике, исходя из теплофизических параметров сред теплоносителей и конструктивных особенностей теплопередачи.
Расчет производим по упрощенной формуле по конвективному теплообмену без учета потерь теплопередачи через тонкую стенку и радиационной передачи тепла.
;
где αв и αг — коэффициенты конвективной теплоотдачи теплоносителя и нагреваемой среды, рассчитываются по эмпирическим формулам в зависимости от характера течения потоков (ламинарный, турбулентный, переходной), и зависит от критериев подобия Нуссельта , Рейнольдса, Прандтля, физических параметров сред и конструктивных параметров рекуператора.
Далее проводится расчет аэродинамического сопротивления потокам теплоносителя и нагреваемой среды по формуле:
∆Р = ∆Ртрубы + ∆Рвх + ∆Рвых + ∆Рускорение;
∆Р = ∆Ртрубы + ∆Рвх + ∆Рвых + ∆Рускорение;
где:
В силу того, что физические параметры потоков сред определяются конструктивными размерами рекуператора, то коэфф.
теплоотдачи Ко, определяющий площадь теплопередачи, предварительно рассчитать невозможно.
В начале расчета задаются скоростями потоков, и в дальнейшем путем итераций подгоняются геометрические параметры рекуператора. За критерий оптимизации принимаем минимальные весовые характеристики и соответствие аэродинамических потерь потоков сред техническим условиям.
Список литературы.
1. М.А. Михеев, И.М. Михеева.
Основы теплопередачи. М, Энергия, 1977.
2. С.С. Кутателадзе.
Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М, Энергоатомиздат, 1990.
3. Справочник по теплообменникам. т.I, т.II.
Под ред. О.Г. Мартыненко, А.А.Михалевича, В.К.Шикова. М, Энергоатомиздат, 1987.
4. Р.В. Барановский, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребенецкий.
Пластинчатые и спиральные теплообменники. М, Машиностроение, 1973.
5. Спр. по расчетам гидравлических и вентиляционных систем.
Под ред. А.С. Юрьева. С-Пб, Мир и Семья, 2001.
6. И.Е. Идельчик.
Спр. по гидравлическим сопротивлениям. М, Машиностроение, 1992.
« Предыдущая Следующая »
Возврат к списку
Метод расчета | Альфа Лаваль
Метод расчета пластинчатого теплообменника
Для решения тепловой задачи нам необходимо знать несколько параметров. Затем можно определить дополнительные данные.
К шести наиболее важным параметрам относятся:
- Количество передаваемого тепла (тепловая нагрузка)
- Температура на входе и выходе на первичной и вторичной сторонах
- Максимально допустимый перепад давления на первичной и вторичной сторонах
- Максимальная рабочая температура
- Максимальное рабочее давление
- Расход на первичной и вторичной сторонах
Если известны расход, удельная теплоемкость и разность температур на одной стороне, можно рассчитать тепловую нагрузку.
Метод расчета
Тепловая нагрузка теплообменника может быть получена из следующих двух формул:
1. Расчет тепловой нагрузки, тета и LMTD
Где:
P = тепловая нагрузка (БТЕ/ч)
m = массовый расход (фунт/ч)
c p = удельная теплоемкость (БТЕ/фунт °F)
δt = разница температур на входе и выходе на одном сторона (°F)
k = коэффициент теплопередачи (BTU/ft 2 h °F)
A = площадь теплопередачи (ft 2 )
LMTD = среднелогарифмическая разность температур
T1 = Температура на входе – горячая сторона
T2 = Температура на выходе – горячая сторона
T3 = температура на входе – холодная сторона
T4 = температура на выходе – холодная сторона
LMTD можно рассчитать по следующей формуле, где ∆T1 = T1–T4 и ∆T2 = T2–T3
Общий коэффициент теплопередачи k определяется как:
α 1 = Коэффициент теплопередачи между теплоносителем и поверхностью теплообмена (британские тепловые единицы/фут 2 ч °F)
α 2 = коэффициент теплопередачи между поверхностью теплопередачи и холодным теплоносителем (британские тепловые единицы/фут 2 ч °F)
δ = толщина поверхности теплопередачи (футы)
R f = Коэффициент загрязнения (футы 2 ч °F/британская тепловая единица)
λ = Теплопроводность материала, разделяющего среды (британские тепловые единицы/фут·час °F)
k c = Чистый коэффициент теплопередачи (Rf=0) (британских тепловых единиц/фут 2 ч °F)
k = Расчетный коэффициент теплопередачи (BTU/ft 2 ч °F)
M = Расчетный запас (%)
Комбинация этих двух формул дает: M = k c · R f
т.
е. чем выше значение k c , тем ниже значение R f для достижения того же проектного запаса.
Для более полного объяснения теории теплопередачи и расчетов загрузите следующую брошюру:
Теория теплопередачи
Свяжитесь с нами, и мы свяжем вас с инженером по пластинчатым теплообменникам, который поможет вам с расчетами.
Краткие ссылки:
Как GPHES работает
Руководство по выбору
Особенности, которые имеют значение
Thengче метод
Типы РПТО
Обслуживание РПТО
Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации.
Расчет теплообменника | SACOME
Начиная с определения теплообменника , ключевой задачей проектировщика является определение размеров теплообменника.
Дизайнер должен рассчитать оптимальную зону обмена , которая сможет выполнить все требования, предъявляемые клиентом.
To that end, the next heat transfer equation is applied, where Q is the thermal exchange duty , U is the global thermal exchange coefficient , A is the область обмена , а LMTD – среднелогарифмическая разность температур.
Это уравнение необходимо разделить вдоль теплообменника на подходящее количество секций: эффективность теплопередачи между жидкостями меняется вдоль теплообменника, так как, помимо прочего, тепловые свойства изменяются в зависимости от температуры, а внутри теплообменника происходят сложные тепловые явления.
Чтобы понять процедуру расчета, уравнение теплопередачи можно применить ко всему теплообменнику, таким образом получив начальный подход к требуемой площади теплообмена .
Этот процесс поясняется ниже для теплообменника с двумя концентрическими трубами в противотоке.
Определение тепловой нагрузки
Получено из уже установленных данных процесса для продукта, который обычно будет обрабатываться через внутреннюю трубу.
Расчет средней логарифмической разности температур (LMTD)
Определяется между двумя секциями теплообменника и на выходе из теплообменника, и зависит от температуры на входе продукта. . Если говорить о теплообменнике в целом, то эти 4 температуры хорошо известны. Однако, если мы хотим разбить теплообменник на несколько приращений и рассчитать LMTD для каждого из них есть неизвестные на первый взгляд значения, необходимые для выполнения процесса итерации и сходимости.
Determining of the overall heat transfer coefficient
This is the result of the addition of the different thermal resistances :
Convection thermal resistance
Это сопротивление оценивает теплообмен вызванный конвекцией в обоих каналах жидкости.
Он обратно пропорционален коэффициенту теплообмена жидкости, h.
Для стороны продукта, будучи DP и DP. Внешние и внутренние диаметры внутренней трубки:
В то время как для сервисного канала:
Важным вопросом при проектировании теплообменника является определение коэффициенты теплообмена надежно и точно: неправильный расчет приведет к недостаточной производительности, а теплообменник может даже не достичь требуемых температур.
В зависимости от пути течения (трубка, кольцевое пространство и т.д.) и от режима течения (ламинарный, турбулентный и т.д.) также будет необходимо установить эмпирическую корреляцию для Nusselt, т.к. это безразмерный параметр, по которому можно рассчитать коэффициент теплообмена. Вообще говоря, Nusselt будет зависеть от других безразмерных параметров, таких как Reynolds, Prandtl, Graetz, Grashof и т.
д. версия программного обеспечения HTRI Xchanger Suite v7.00.
Термическое сопротивление проводимости
Используется для оценки теплообмен вызванный теплопроводностью через стенку, разделяющую обе жидкости. Для круговой трубки, будучи k теплопроводности металла , определяется как:
Фол -теплостойкость. Примеси продукта (аналогично это происходит и со стороны обслуживания) осаждаются на поверхностях, контактирующих с жидкостями. Эти засорение сопротивления ухудшают процесс теплообмена.
Для применений (главным образом в промышленной сфере), в которых требуется отсрочка выключения для выполнения задач по очистке, общепринятой практикой является учет этих дополнительных сопротивлений с самого начала, что увеличивает размер оборудования. Для пищевых применений они не предусмотрены, так как задачи по очистке выполняются чаще.