Теплоутилизатор вентиляционного воздуха с теплообменником на тепловых трубках

Введение. Производство основных видов сельскохозяйственной продукции в России сопровождается значительными топливными и энергетическими затратами. По мнению экспертов энергетические затраты на сельское хозяйство в России в 2-2,5 раз выше, чем в передовых странах [1]. По данным многочисленных исследований выявлено, что на продуктивность и сохранность животных и птиц существенное влияние оказывает микроклимат среды обитания [2]. Создание и поддержание в животноводческих и птицеводческих помещениях требуемого микроклимата, при котором животные давали бы максимум продукции, является, наряду с другими условиями их содержания, одним из факторов, определяющих рентабельность производства животноводческой продукции. Необходимым условием для нормального обмена веществ в организме животных является поддержание в помещении комфортной температуры. При низкой температуре воздуха увеличивается теплоотдача тела животного, оно усиленно потребляет корм, возможно переохлаждение, простудные заболевания и даже падеж, если энергии корма недостаточно для выработки тепла, компенсирующего теплоотдачу в окружающую среду. Повышенная концентрация сероводорода, аммиака и углекислого газа в воздухе отрицательно влияет на физиологическое состояние организма животного.

Проблема обеспечения микроклимата в промышленном животноводстве и птицеводстве решается на базе вентиляционно-отопительных систем. Воздухообмен позволяет создать в помещениях требуемый температурно-влажностной режим, поддерживать газовый состав воздуха в соответствии с зоогигиеническими нормативами, способствует удалению пыли и микроорганизмов. Недостаточный воздухообмен повышает расход кормов и снижает продуктивность животных, а излишне большой ведет к нерациональным затратам энергии.

Анализ теплового баланса ряда животноводческих помещений показывает, что вытяжной вентиляцией в отопительный период уносится до 70 % теплоты помещения [3].

Основное внимание при рассмотрении вопроса экономного расходования тепловой энергии на животноводческих объектах необходимо уделить вопросу рационального использования и утилизации теплоты, содержащейся в отработанном вентиляционном воздухе помещений с использованием ее для подогрева наружного приточного воздуха [4][6]. В результате снижаются затраты на нагрев приточного воздуха и повышается эффективность отопительно-вентиляционных систем. Утилизаторы теплоты могут играть важную роль в снижении парникового эффекта на животноводческих предприятиях за счет сокращения использование энергии из внешних источников, а также снизить выбросы парниковых газов. У современных утилизаторов теплоты низкопотенциальной энергии с.х. назначения до сих пор эффективно не решены проблемы обмерзания теплообменной поверхности со стороны удаляемого воздуха, большие габариты, масса и большая площадь поверхности теплообмена [7] -[9].

Для экономии теплоты, используемой для нагревания вентиляционного воздуха помещения, перспективно применение теплоутилизаторов с промежуточным теплоносителем, к которым относятся тепловые трубки [10]-[11], позволяющие в зависимости от условий окружающей среды и рациональной конструкции теплообменника использовать от 20 до 70 % теплоты, уносимой вытяжной системой вентиляции.

Применение термоэлектрического насоса для подогрева приточного воздуха позволит в значительной степени решить проблему обледенения теплообменной поверхности со стороны удаляемого воздуха.

Предполагается применение утилизатора теплоты для обеспечения заданных параметров микроклимата в таких помещениях животноводческой фермы КРС, как: телятник, профилакторий для телят, боксы и индивидуальные клетки для телят, денники; комната отдыха персонала; ветеринарный санпропускник; кормоприготовительная, молочный блок и др.

Целью исследования является разработка функционально-технологической схемы и физической модели утилизатора теплоты вентиляционного воздуха с теплообменником на базе тепловых трубок, обеспечивающего снижение энергетических и материальных затрат на создание требуемого микроклимата в животноводческом помещении..

Материалы и методы исследования. Объектом исследования является утилизатор теплоты вентиляционного воздуха, предмет исследования - повышение энергоэффективности процесса утилизации теплоты выбросного вентиляционного воздуха с применением теплообменника на базе тепловых трубок и термоэлектрического теплового насоса.

Для проведения исследования разработана функционально-технологическая схема и физическая модель утилизатора теплоты с теплообменником на базе тепловых трубок, лабораторный стенд с автоматизированной системой сбора данных. Использованы методы анализа и синтеза существующих знаний в области низкопотенциальной утилизации теплоты, физического моделирования, планирования эксперимента, статистической обработки и визуализации полученных результатов.

Для устранения имеющихся недостатков утилизаторов низкопотенциальной теплоты и на основании ранее проведенных исследований разработана функционально технологическая схема теплоутилизатора (рисунок 1), основными элементами которого являются: теплообменник на тепловых трубках и термоэлектрический тепловой насос [12]. Тепловые трубки (ТТ) отличаются высокой теплопередающей способностью и предназначены для транспортирования теплового потока от нагретого воздуха, удаляемого из помещения, и его передачи приточному воздуху в результате теплообмена.

помещение

Наружный воздух

Удаляемый воздух

+

U

Секция конденсации

г~т=

ПШ1НШ

Термоэлектрическая сборка

1– корпус утилизатора; 2 – разделительная поверхность; 3 – испаритель тепловой трубки (ТТ); 4 – оребрение тепловых трубок; 5 – испаритель ТТ термоэлектрической сборки; 6 – электровентиляторы (приточный и вытяжной); 7 – конденсатор тепловой трубки (ТТ); 8 – холодный спай ТЭМ; 9 – термоэлектрический модуль Пельтье; 10 – горячий спай ТЭМ; 11 – испаритель ТТ термоэлектрической сборки; 12 – конденсатор холодного спая ТЭМ; 13 – транспортная зона ТТ; 14 - конденсатор ТТ горячего спая термоэлектрической сборки

Рисунок 1– Функциональная схема утилизатора тепла на тепловых трубках

Теплообменник содержит две секции: секцию испарения и секцию конденсации теплоносителя тепловых трубок [13]. Термоэлектрический тепловой насос включает в себя термоэлектрическую сборку, состоящую из термоэлектрического модуля (ТЭМ) и тепловых трубок. Конденсатор тепловой трубки контура нагрева теромэлектрического модуля, расположен в секции конденсации корпуса утилизатора. При этом тепловой поток от горячего спая ТЭМ по тепловой трубке передается наружному приточному воздуху, осуществляя его предварительный нагрев. Испаритель тепловой трубки контура охлаждения термоэлектрического модуля расположен в секции испарения корпуса теплоутил изатор а.

Тепловая трубка отбирает тепло удаляемого воздуха и трансформирует ее на холодный спай термоэлектрического модуля, увеличивая тем самым поток тепловой энергии на предварительный нагрев наружного воздуха.

Результаты исследования. Для проведения физического моделирования режимов работы теплоутилизатора, определения его теплоэнергетических и конструкционных параметров разработан физический образец (модель) установки, лабораторный стенд для снятия необходимых параметров и система автоматизированного сбора данных. У разработанной физической модели площадь сечения воздуховодов 50х110=5500 мм ² . Тип электровентиляторов - осевой канальный, потребляемая мощность 14 Вт, воздухопроизводительность до 90 м ³ /ч. Схема утилизатора теплоты с расположением датчиков температуры в характерных точках представлена на рисунке 2.

1- приточный воздуховод; 2- вытяжной воздуховод; 3- тепловые трубки; 4- радиатор приточного воздуха; 5- радиатор вытяжного воздуха; 6- теплоизолирующая вставка; 7-вентилятор вытяжного воздуха; 8- переходной патрубок вытяжного воздуховода; 9-переходной патрубок приточного воздуховода; 10- вентилятор приточного воздуха; 11 -испаритель и конденсатор ТТ горячего спая термоэлектрической сборки; Т1…Т6 – места расположения измерителей температуры

Рисунок 2 – Схема теплоутилизатора с расположением датчиков температуры.

Измерительный блок теплофизических параметров теплоутилизатора (рис. 3) содержит: устройство измерения и контроля температуры УКТ-38 ОВЕН (класс точности 0,5); датчики температуры - термоэлектрические преобразователи типа дТПL011-0.5/5 хромель-капель; универсальный измеритель-регулятор ТРМ-202 ОВЕН для измерения относительной влажности воздуха; датчики влажности воздуха EVHP503; адаптеры интерфейсов АС-2 и АС-4; блок питания БП-24 (=24 В); персональный компьютер (ПК); автоматический выключатель электрической нагрузки QF; резисторы нормирующие R1 и R2; измеритель расхода воздуха (расходомер внешний); счетчик электрической энергии Wh, потребляемой теплоутилизационной установкой; кабели соединительные. Для автоматизированного сбора, регистрации, визуализации и дальнейшей статистической обработки полученных данных использовано лицензионное программное обеспечение

SCADA – система OWEN PROCESS MANAGER (OPM).

Рисунок 3 – Система автоматизированного сбора данных

В лабораторных условиях проведены испытания теплоутилизатора на тепловых трубках при температуре наружного воздуха (приточного) в диапазоне -9… +2 °С и при температуре воздуха внутри помещения от +14 до +18 °С. Результаты испытания на соответствие основных технических параметров заданным техническим требованиям (ТТ) представлены в таблице 1.

В качестве примера на графиках рисунка 4 показана температура воздуха и радиаторов теплообменника в характерных точках теплоутилизатора при установившемся режиме и при температуре наружного воздуха равной -4,8 °С, температуре внутреннего воздуха равной 18 °С.

Расчетную теплопроизводительность утилизатора по каналу приточного воздуха определяют по выражению

Q 1 = G 1 c 1 ( t 12 - t 11 )/3600, температурную эффективность теплообмена по выражению

ε _t

t

-

t ₁₁

t

- t ₁₁

G 1 c 1

G 2 c 2 ,

где G 1 , G 2 – расходы теплоносителей (воздух), кг/ч;

с 1 , с 2 – средние теплоемкости теплоносителей, Дж/кг·°С;

t 11 , t 12 - начальная и конечная температуры приточного (холодного) воздуха, °C;

t 21 - начальная температуры вытяжного (теплого) воздуха, °C.

При t 11 = - 4,8 °С, t 12 = 3 °С, t 21 =18 °С, с 1 =1,006 кДж/кг°С, с 2 =1,005 кДж/кг°С, G 1 =54,4 кг/ч, G 2 =52,6 кг/ч расчётная теплопроизводительность утилизатора Q 1 ≈118 Вт, температурная эффективность теплообмена ɛ t ≈ 0,51о.е.

Таблица 1 - Соответствие условий и результатов испытаний техническим требованиям

Показатель	Значение показателей по:
	ТТ	Данным испытаний
Температура внутреннего воздуха в помещении, °С	+ 10 . +20	+18
Относительная влажность воздуха в помещении,%	50…80	60
Температура наружного воздуха, °С	-10…0	-4,8
Относительная влажность наружного воздуха, %	40…70	60
Производительность по воздуху, кг/ч, не менее	50	54
Напряжение электрической сети, В	220±5%	219
Площадь теплообменной поверхности, м 2	0,2	0,21
Теплопроизводительность по приточному воздуху, Вт	120	122
Удельная теплопроизводительность по приточному воздуху, Вт/м 2	600	580
Температурная эффективность      теплообмена, о.е.	0,48…0,52	0,51
Мощность, потребляемая вентиляторами, Вт, не более	30	28

Т1 – температура наружного воздуха; Т2 – температура приточного воздуха после теплоутилизатора; Т3 – средняя температура радиатора со стороны приточного воздуха; Т1 – средняя температура радиатора со стороны удаляемого воздуха; Т5 – температура удаляемого воздуха после теплоутилизатора; Т6 – температура внутреннего воздуха

Рисунок 4 – Температура воздуха и радиаторов в характерных точках теплоутилизатора

Предварительные исследования и испытания предложенной конструкции теплоутилизатора (физической модели) показали, что удельная теплопроизводительность по приточному воздуху составила 580 Вт/м ² , в то время как у большинства существующих утилизаторов вентиляционного воздуха этот параметр составляет 290…350 Вт/м ² [14]. За счет высокой теплопередающей способности тепловых трубок имеется возможность снизить поверхность теплообмена и массогабаритные показатели представленного теплоутилизатора.

Выводы. Установлено, что применение тепловых трубок для транспортирования теплового потока от нагретого воздуха, удаляемого из помещения, и его передачи приточному воздуху в результате теплообмена, позволяет примерно в 2 раза уменьшить площадь теплообменной поверхности, а также массогабаритные параметры установки при одинаковой теплопроизводительности по приточному воздуху, по сравнению с аналогичными утилизаторами. Температурная эффективность теплообмена при этом находится на уровне 0,51 о.е., что соответствует значениям, характерным для утилизаторов низкопотенциальной теплоты.

Экспериментальный масштабируемый образец следует использовать для проведения дальнейших исследований по оптимизации теплоэнергетических и конструкционных параметров теплообменного аппарата, термоэлектрического теплового насоса на элементах Пельте, проведения технико-экономического обоснования эффективности разработки по сравнению с существующими утилизаторами низкопотенциальной теплоты животноводческих помещений.