1. Ефективність утилізації теплоти
в системах вентиляції
Дешко В. І. ,зав. кафедри
Суходуб І.О., асистент кафедри
теплотехніки та енергозбереження
НТУУ «КПІ»

2. Конструкция теплообменника
Lossnay

3. температурный коэффициент эффективности
(по явной теплоте):
100%SA OA
t
RA OA
t t
t t
η
−
= ×
− min min
( ) ( )
( ) ( )
S p SA OA E p RA EA
sensible
p RA OA p RA OA
m c T T m c T T
m c T t m c T T
ε
− −
= =
− −
энтальпийный коэффициент эффективности
(по полной теплоте)
100%SA OA
h
RA OA
h h
h h
η
−
= ×
− min min
( ) ( )
( ) ( )
S fg SA OA E fg RA EA
latent
fg RA OA fg RA OA
m h m h
m h d m h
ω ω ω ω
ε
ω ω ω
− −
= =
− −
коэффициент эффективности по скрытой
теплоте
100%SA OA
d
RA OA
d d
d d
η
−
= ×
−
min min
( ) ( )
( ) ( )
S SA OA E RA EA
total
RA OA RA OA
m h h m h h
m h h m h h
ε
− −
= =
− −

4. распределения температур,
влагосодержаний, теплового потока и потока
массы пара по поверхности теплообмена
Моделирование локальных коэффициентов теплоотдачи в
каналах различной формы
Моделирование теплообмена при перекрестном токе
• в щелевом теплообменнике
• Модель перекрестного тока с использованием метода
конечных разностей
o оребрение
o треугольное поперечное сечение
o с учетом зон конденсации и образования инея

5. Моделирование локальных
коэффициентов теплоотдачи в каналах
различной формы
Материал
Плотность,
кг/м3
Теплоемкость,
Дж/(кг⋅К)
Теплопроводн
ость, Вт/(м⋅К)
Толщина, м
Алюминий 2719 871 202,4
25·10-6
Мембрана 1060 1340 0,12
Свойства материалов ребра
wall, T =f(z)wall
symmetry
symmetry
symmetry
δ , λfin fin
velocity inlet, Tfl(z=0)
x
y
z
pressure outlet
wall, T =f(z)wall
symmetry
symmetry
δ , λfin fin
velocity inlet, Tfl(z=0)
pressure outlet

6. Результаты моделирования
Поля скоростей Поля температур

7. Результаты моделирования
( ) 2
*
3 * *
T 1 3x
Nu Nu 10 exp( )
a
a x a x= + × × × − ×
Геометрия канала NuT a1 a2 a3
Параллельные пластины (2b/2a=0) 7,526 10,2 -0,4 -250
Квадратный оребренный канал(2b/2a
=2,0mm/2,0mm)
3,863 14,1 -0,60 -47,0
Треугольный оребренный канал, (2b/2a
=2,5mm/5,0mm)
3,178 11,0 -0,41 -44,5
Треугольный оребренный канал, (2b/2a
=1,7mm/4,7mm)
3,273 11,3 -0,42 -41,5
Треугольный канал, 1 side T=const(2b/2a
=1,7mm/4,7mm)
1,643 10,9 -0,37 -25,0

8. Моделирование теплообмена при перекрестном
токе в щелевом теплообменнике
Распределение теплового потока (а) и температуры стенки
Изменение локального числа Нуссельта по ходу движения холодного
воздуха

9. Модель перекрестного тока с
использованием метода
конечных разностей
Для теплообмена
Для массообмена
Конвективные коэффициенты массоотдачи
находятся по аналогии между тепло- и
массообменом

10. Распределение температуры
приточного и вытяжного воздуха
по поверхности теплообмена
Разница в температуре вытяжного
воздуха при расчете по локальным и
средним к-там теплоотдачи

11. Распределение
теплового потока
Распределение
влагосодержаний по
поверхности пластины

12. Перекрестный ток в щелевых калах.
Сравнение расчета интегральных характеристик
теплообмена
Параметр
ε-NTU
метод
МКР CFD
Погрешность
МКР по
сравнению с
CFD
Температура горячего
теплоносителя на выходе, К
273,087 273,188 272,835 0,133%
Температура холодного
теплоносителя на выходе, К
285,213 285,112 285,465 -0,124%
Суммарный тепловой поток
через одну пластину, Вт
3,778 3,761 3,822 -1,596%
Температурный
коэффициент эффективности
0,689 0,686 0,697 -1,578%
Доля поверхности
теплообмена с температурой
ниже 273,15 К
- 0,265 0,28 -5,548%

13. Модель перекрестного тока с использованием
метода конечных разностей с учетом зон
конденсации и образования инея
p,h s,wp p≥ p,h s,wp p≥ w 273,15KT ≤и
К-т
теплоотдачи
В тепловом балансе горячего воздуха – добавка на фазовые переходы
( )
( )
mem mem ,
cond ,
cond h
c
1
( , )
/ 1/
( , )
( , ) ( , ) ( ( , ) ( , ))
( , ) ( ( , ) ( , ))
( , ) ( , )
( , ) ( , )
conv
m c
conv
m h
in out
h h
out in
c c
in in
sat c
in in
sath
m i j
h
m i j h
m i j m i j G i j i j
m i j G i j i j
i j i j dA
i j i j dA
δ µ
ω ω
ω ω
ω ω
ω ω

− +




+ = × −
 = × −
= × ×
= − × ×
( )fr ,
fr h
( , ) 0
( , )
( , ) ( ( , ) ( , ))
( , ) ( , ) conv
m h
in out
h h
in in
sath
m i j
m i j h
m i j G i j i j
i j i j dA
ω ω
ω ω




= × −
=
= − × ×
Массоперенос.
Зона
конденсации
Массоперенос. Зона
образования инея

14. Залежність зони заморожування від відносної вологості повітря в
приміщенні при різних температурах зовнішнього повітря: -5 ºC; -10
ºC; -15 ºC; -20 ºС

15. Влияние типа
теплообменника на зону
конденсации
Массоперенос через
мембрану.
Конденсация/замораживание

16. Утилізація теплової енергії за
опалювальний період
• методи узагальнення метеоданих
• стратегії боротьби з заморожуванням
теплоутилізатора
• режим роботи теплоутилізатора
для кліматичних умов України при цілодобовому
режимі роботи утилізована енергія у 4,5 та 7,8 разів
перевищує затрати електроенергії на приводи
вентиляторів
термін окупності може коливатися від 3 до 10 років в
залежності від типу енергії, стратегії боротьби з інеєутворенням
та режиму роботи установки.

17. методи узагальнення метеоданих
• по числу годин стояння (ЧГС) і середньому
вологовмісту для кожної температури для
опалювального періоду
• по середнім температурам і вологовмістам
для кожного місяця
• з використанням медіани температур і
вологовмісту для кожного місяця
• за середньою температурою і вологовмістом
та тривалістю опалювального сезону
Зібрані півгодинні дані по температурі, відносній
вологості і тиску зовнішнього повітря для м. Києва за
опалювальний сезон 2011-2012 рр.

18. ЧГС зовнішніх температур для опалювального
періоду

19. Вологовміст в залежності від
температури

20. стратегії боротьби з
заморожуванням теплоутилізатора
а) при температурі зовнішнього повітря tOA ≤-5 °С передбачається наявність
попереднього нагріву припливного повітря (потужність калорифера
обрана по температурі -22 °С і складає 0,6 кВт, при температурах tOA ≤-22
°С установку можна переключати на понижену витрату повітря);
б) при температурах в діапазоні tOA =(-10 … -15) °С через кожні 60 хв.
припливний вентилятор вимикається на 10 хв. та теплообмінник
продувається теплим витяжним повітрям; при температурах tOA ≤-15 °С
передбачається наявність попереднього нагріву (потужність калорифера
складає 0,6 кВт).
затрати енергії на попередній нагрів для варіанту б) - близько
4,5% від утилізованої енергії, для варіанту а) - близько 13 %

21. Значення повної / явної економії теплової
енергії за опалювальний період, кВт•год
Метод розрахунку Цілодобово С 8:00 до 20:00 С 20:00 до
8:00
Півгодинні значення* 3940 /
3220
1890 /
1540
2050 /
1680
4130 /
3440
1980 /
1640
2150 /
1800
ЧГС температур* 3970 /
3220
1985 /
1610
1985 /
1610
4160 /
3440
2080 /
1720
2080 /
1720
Середньомісячні 4300 /
3630
2150 /
1815
2150 /
1815
Медіани за місяць 4350 /
3650
2180 /
1825
2180 /
1825
Середні за опалювальний
період
4320 /
3660
2160 /
1830
2160 /
1830

22. Енергетична ефективність з врахуванням
внутрішніх перетоків
Установка
m
t
5,
sa
m t1, 1
m t2, 2 m t3, 3
m t4, 4
вентилятор вентилятор
фільтр фільтр
m
t
6,
ea
m tra, ra
m tsa, sa
m toa, oa
m tea, ea
теплообмінник
Потоки повітря (основні та непередбачені)

23. закон збереження
маси та енергії для
повітря у вузлах
• Явний утилізований тепловий
потік в теплообміннику
1 5 ram m m= +
ra p ra sa p sa 1 p 1m c t m c t m c t+ =
2 5 sam m m= +
3 ea 6m m m= +
4 oa 6m m m= +
4 4 oa p oa 6 p eapm c t m c t m c t= +
1 3m m=
2 4m m=
1 1 p 1 3( )Q m c t t= × × −
2 2 p 2 4( )Q m c t t= × −
Коефіцієнти внутрішніх перетоків
5
int1
1
m
m
=ε 6
int 2
4
m
m
=ε

24. Результати експерименту
tra, ºС tsa, ºС tea,
ºС
toa,
ºС
t1, ºС t2, ºС t3, ºС t4, ºС msa,
кг/с
mea,
кг/с
23,1 22,5 13,8 2,8 23 21,2 12,3 7,2 0,032 0,03
7
Результати розрахунків
mra,
кг/с
moa,
кг/с
m1,
кг/с
m2,
кг/с
m3,
кг/с
m4,
кг/с
m5,
кг/с
m6,
кг/с
0,044 0,02
4
0,05
3
0,040 0,05
3
0,040 0,00
9
0,01
6
0,167 0,40
0
int1ε
int2ε
підмішування m5 та m6 зменшує максимальний перепад
температур в теплообміннику з 20,3 до 15,8ºС
врахування перетоків повітря зменшує відмінність між
утилізованими тепловими потоками з 10 до 1,5% для явної
теплоти та з 88 до 2,6% для повної.
int1ε

25. Расчётное и экспериментальное
определение показателей работы
OWEN t,φ
t,φ
t,φ
t,φ
t,φ
t,φ
t,φ
t,φ
Схема установки и измерений

26. Летний период.
Экспериментальные данные по температурам
Дневное время июля 2013 года. Средний фактический
температурный коэффициент эффективности 73.2 %.

27. Летний период.
Расчетные данные по температурам
Теоретические расчеты, задаваясь коэффициентами
эффективности согласно данным производителя (
, ) по погодным данным г. Киева для того же
дня[9-11]. Температура и влажность в помещении (24оС и
45%) - средние значения из результатов эксперимента
81.6%t =η

28. Летний период.
Экспериментальные данные по влагосодержанию
Средний фактический коэффициент эффективности по
скрытой теплоте составляет 63.8%. Средний
энтальпийный коэффициент эффективности - 71.0%.

29. Летний период.
Расчетные данные по влагосодержанию
Значительное различие во влагосодержании наружного воздуха по
метеорологическим и экспериментальным данным (10.6 против 8.6 г/кг).

30. Летний период.
Экспериментальные данные по утилизированным
тепловым потокам
Доля скрытого теплового потока в общем составляет 20%.

31. Летний период.
Расчетные данные по утилизированным тепловым
потокам
Скрытая теплота составляет 78.5% от полной

32. Данные за летний период 2013 года и их
сравнение с типичными метеоданными
IWEC для г. Киева
Число часов стояния температур для интервалов в 1оС

33. Данные за летний период 2013 года и их
сравнение с типичными метеоданными
IWEC для г. Киева
Число часов стояния влагосодержания
Целесообразно для расчета экономии энергии использовать
почасовые данные по температуре и влажности либо число часов
стояния комбинации температуры и влажности

34. 0
10
20
Числочасовстояния,час
Диапазоны
изменениятемпературы
Диапазоны
изменения влажности
26..30
31..35
36..40
41..45
46..50
51..55
56..60
61..65
66..70
71..75
32..32.9
31..31.9
30..30.9
29..29.9
28..28.9
27..27.9
26..26.9
25..25.9
24..24.9
76..80
Число часов стояния
комбинации температур и
относительной влажности
для г. Киева, IWEC
Критическая
комбинация
температуры и
влажности
наружного воздуха.
Скрытый
утилизированный и
поэтому полный
поток по энтальпии
становится
отрицательным