Спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень

Реферат: Спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень, який передбачає пропускання потоку припливного повітря через припливні канали, а потоку повітря вентиляційних викидів через викидні канали теплоутилізатора назустріч потоку припливного повітря, причому при температурах припливного повітря, менших нуля градусів витрати повітря через викидні і припливні канали, залишають рівними між собою і незмінними, вимірюють атмосферний тиск, температуру холодного потоку припливного повітря та температуру і відносну вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора, а потік повітря на вході в припливні канали підігрівають, при цьому потужність нагрівача повітря визначають за наведеною формулою. Підвищується ефективність утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень рекуперативним теплоутилізатором та надійність роботи пристроїв, які здійснюють такий спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні і спрощують його конструктивне виконання. UA 102431 C2 (12) UA 102431 C2 UA 102431 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до техніки кондиціювання повітря і може бути використаний в системах вентиляції і опалення тваринницьких приміщень. Ефективність застосування рекуперативних теплоутилізаторів для утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень значною мірою залежить від температури зовнішнього повітря. В зв'язку з тим, що в холодний період року викидне повітря вентиляційних викидів має більший вологовміст, ніж зовнішнє повітря, при використанні рекуперативних теплоутилізаторів в системах вентиляції і опалення тваринницьких приміщень на теплообмінній поверхні теплоутилізаторів зі сторони каналів викидного повітря конденсується водяна пара. При зниженні температури зовнішнього повітря, коли температура теплообмінної поверхні на виході викидних каналів стає меншою нуля градусів, сконденсована водяна пара замерзає, що приводить до зниження ефективності утилізації теплоти вентиляційних викидів. Для запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень використовуються різні способи і технічні засоби. Відомий спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів (Авторське свідоцтво 1386807 СРСР, МКІ F24F 7/06, опубл. 07.04.88, бюл. № 13). При реалізації цього способу в теплообміннику рекуперативного теплоутилізатора, що має камери для теплоносія, підтримують температуру стінки зі сторони викидного повітря вище температури обмерзання конденсату шляхом подачі в камери теплоносія. При цьому теплоносій подають в камери безперервним потоком, а його температуру визначають по установленій формулі. Суттєвим недоліком цього способу запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів є те, що не враховується взаємозв'язок між температурою обмерзання теплообмінної поверхні і відносною вологістю повітря в приміщенні. Крім того, автоматичне запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні неможливе без додаткового корегування температурної уставки регулятора температури. Тому цей спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора ефективний для приміщень, в яких температура і відносна вологість повітря мають стабільні значення, що практично неможливе в реальних умовах тваринницьких приміщень. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень в холодний період року з запобіганням обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора (Патент 86504 України, МПК F24F 3/12, опубл. 10.02.2009 р., бюл. № 3), який включає нагрівання потоку припливного повітря і охолодження потоку повітря вентиляційних викидів шляхом пропускання потоку припливного повітря через припливні канали, а потоку повітря вентиляційних викидів через викидні канали теплоутилізатора назустріч потоку припливного повітря. Охолоджений потік повітря вентиляційних викидів і підігрітий потік припливного повітря ділять на дві частини кожний. Одну частину охолодженого потоку вентиляційних викидів направляють в атмосферу, a іншу частину підігрітого припливного повітря подають в приміщення. Ділення охолодженого потоку повітря вентиляційних викидів і підігрітого потоку припливного повітря здійснюють синхронно з виділенням К-тої частини з кожного повітряного потоку. К-ту частину охолодженого потоку повітря вентиляційних викидів подають в приміщення, а К-ту частину підігрітого потоку припливного повітря змішують з потоком холодного припливного повітря і направляють на вхід припливних каналів теплоутилізатора. При цьому витрати повітря через викидні і припливні канали теплоутилізатора залишають рівними між собою і незмінними. Одночасно з цим вимірюють атмосферний тиск, температуру холодного припливного повітря до змішування з Ктою частиною підігрітого припливного повітря та температуру і відносну вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора. Значення к визначають з відповідної формули. Пристрій для реалізації способу утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень в холодний період року з запобіганням обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора включає рекуперативний теплоутилізатор з припливними і викидними каналами, повітропроводи та регулюючі пристрої з синхронним розподілом повітряних потоків. Один з повітропроводів з'єднує виходи припливних каналів через регулюючий пристрій з входами цих припливних каналів і забезпечує подачу частини підігрітого припливного повітря після виходу з припливних каналів на вхід припливних каналів для змішування з зовнішнім повітрям, а іншої частини підігрітого припливного повітря в приміщення. Через ще один повітропровід здійснюється подача в приміщення через інший регулюючий пристрій відповідної частини викидного повітря з виходів викидних каналів теплоутилізатора, а також іншої частини викидного повітря в атмосферу. Температуру припливного повітря 1 UA 102431 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 вимірюють в повітропроводі припливного повітря, а температуру і відносну вологість викидного повітря вимірюють на вході викидних каналів теплоутилізатора. Недоліком прототипу є необхідність при зниженні температури зовнішнього повітря для запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора зменшувати подачу припливного повітря в приміщення і збільшувати рециркуляцію викидного повітря, з якого неможливо за допомогою очищувачів відібрати шкідливі гази до рівня, коли їх концентрація стане такою як в припливному повітрі. Тому ефективність такого способу запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні залежить від температури зовнішнього повітря, причому при значному зниженні температури зовнішнього повітря він стає непридатним в зв'язку з тим, що концентрація шкідливих газів в приміщенні може досягати гранично допустимих значень і перевершувати їх. Крім того, такий спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні передбачає синхронно ділити потоки припливного і викидного повітря. Для цього необхідні додаткові повітропроводи і відповідні пристрої, що ускладнює конструктивне виконання і зменшує надійність його роботи. Задачею винаходу є спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень, в якому завдяки підігріву потоку повітря на вході припливних каналів та визначення теплової потужності нагрівача повітря за встановленою формулою досягається не обмерзання теплообмінної поверхні з її постійним перебуванням на границі між обмерзанням і не обмерзанням при будьякій температурі зовнішнього повітря меншій нуля градусів, а також завдяки відсутності синхронного ділення потоків повітря вентиляційних викидів і припливного повітря та додаткових повітропроводів підвищується ефективність утилізації теплоти вентиляційних викидів тваринницьких приміщень рекуперативним теплоутилізатором та надійність роботи пристроїв які здійснюють такий спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні і спрощують його конструктивне виконання. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень передбачає пропускання потоку припливного повітря через припливні канали, а потоку повітря вентиляційних викидів через викидні канали теплоутилізатора назустріч потоку припливного повітря. При температурах припливного повітря, менших нуля градусів витрати повітря через викидні і припливні канали, залишають рівними між собою і незмінними. Одночасно з цим, вимірюють атмосферний тиск, температуру холодного потоку припливного повітря та температуру і відносну вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора. Відповідно до винаходу потік повітря на вході в припливні канали підігрівають, а необхідну теплову потужність нагрівача повітря визначають за формулою: Р=c·V·(tП-tХП), (1) де с - питома теплоємність повітря, кДж/(кг°С); V - витрата повітря через припливні канали теплоутилізатора, кг/с; tХП - температура холодного потоку припливного повітря (температура зовнішнього повітря)°С; tП - температура потоку повітря на вході в припливні канали теплоутилізатора після нагрівана повітря, °C, яка визначається з формули:       tП     0,622    P  exp   t П1    62,2  P0  exp П1 0  t    t    2   П1  П    t П1  1  t     r     c      t П1      tП       P  П1  P0  exp Pa  100  P0  exp     a    t П1     tП     tП      tП  62,2  P0  exp  t   cв П   t  2   3 c     tП  Pa  100  P0  exp  t   П       tП1       tП1    0,622  П1  P0  exp    t    r  0,622  П1  P0  exp   t      П1  П1     cв  tП1         c     tП1      tП1   Pa  П1  P0  exp P  П1  P0  exp    t      t    a П1     П1      45 2 UA 102431 C2 2       tП        62,2  P0  exp 4     ln П1     tП1    tП1    t     100   П       tП1  tП   1  t         tП    П1      ln      tП1 Pa  100  P0  exp  t    100   П    1        t П   2  0,622  П1  P0  exp   t П1   62,2  P0  exp  t     t     r  П1  П        1  t      c     tП    P    P  exp   t П1   Pa  100  P0  exp П1 0  t      t     a П1  П       (2) 5 10 15 20 25 де tП1 - температура повітряного потоку вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора (температура повітря в приміщенні), °C; φП1 - відносна вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теилоутилізатора, %; ηt - коефіцієнт температурної ефективності теплоутилізатора, відн. од.; ξ - коефіцієнт використання теплоти конденсації водяної пари викидного повітря, відн. од.; св - питома теплоємність водяної пари, кДж/(кг°С); r - скрита теплота пароутворення, кДж/кг; Ра - атмосферний тиск, Па; α - постійна величина, α=17,5043; β - постійна величина, β=241,2 °C; P0 - постійна величина, P0=6,1121 гПа. Формула для визначення температури потоку повітря на вході в припливні канали теплоутилізатора після нагрівача повітря одержана шляхом рішення системи рівнянь, які визначають взаємозв'язок між температурою і відносною вологістю повітряних потоків на входах і виходах припливних і викидних каналів рекуперативного теплоутилізатора та його параметрами і енергетичний баланс між потоками припливного і викидного повітря. Також враховано умови, при яких забезпечується не обмерзання теплообмінної поверхні з її постійним перебуванням на границі між обмерзанням і не обмерзанням при будь-якій температурі зовнішнього повітря меншій нуля градусів. Ця система рівнянь має такий вигляд:     П1        ln       100     t П1     t П1      r   t  t К  t П   t П1  t К      dП1  dП    К  c          ln П1     t П1   100         (3 )  t      П1        ln      t П1     t П1       100   r     t  t П1  t П   t П1  t К      dП1  dП    К  c          ln П1     t П1   100           dП1 dП t К  t П  t П1  t П    r  c в  t П1    r  c в  t П1  ( 4) c c      t П1    0,622  П1  P0  exp  t   П1   (5 ) dП1     t П1     Pa  П1  P0  exp      t П1        tП    62,2  P0  exp  t   П   dП      tП    Pa  100  P0  exp  t   П    3 UA 102431 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 де tК - температура потоку повітря на виході припливних каналів теплоутилізатора, °C; dП1 - вологовміст повітря на вході викидних каналів теплоутилізатора, кг/кг; dП - вологовміст повітря на виході викидних каналів теплоутилізатора, кг/кг. На Фіг. показана схема реалізації способу запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень, який містить рекуперативний теплоутилізатор 1, теплообмінні поверхні 2, які утворюють припливні канали 3 і викидні канали 4, потік 5 припливного і потік 6 викидного повітря, входи 7 припливних каналів і виходи 8 викидних каналів, нагрівач 9 потоку припливного повітря з регулятором 10 теплової потужності, датчик 11 і показник 12 температури потоку викидного повітря, датчик 13 і показник 14 відносної вологості потоку викидного повітря, датчик 15 і показник 16 температури потоку холодного припливного повітря. Спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень по даній схемі реалізується таким чином. Потік 5 припливного повітря і потік 6 викидного повітря пропускають відповідно через припливні канали 3 і викидні канали 4 рекуперативного теплоутилізатора 1, в якому теплова енергія через теплообмінну поверхню 2, передається від потоку 6 викидного повітря до потоку 5 припливного повітря. Кількість теплової енергії, яка передається, пропорційна різниці температур потоку 6 викидного повітря і потоку 5 припливного повітря. Тому при зниженні температури потоку 5 припливного повітря теплова потужність рекуперативного теплоутилізатора 1 і ефективність утилізації теплоти вентиляційних викидів збільшуються. Але при температурі потоку 5 припливного повітря меншій нуля градусів на теплообмінній поверхні 2 зі сторони викидних каналів 4 конденсується волога, яка при подальшому зниженні температури потоку 5 припливного повітря замерзає. Обмерзання починається з виходів 8 викидних каналів 4. При цьому аеродинамічний опір потоку 6 викидного повітря збільшується, а його витрата через викидні канали 4 зменшується. Це призводить до інтенсифікації процесу обмерзання теплообмінної поверхні 2 зі сторони викидних каналів. Для запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні 2 при температурі потоку припливного повітря меншій нуля градусів витрати повітря через викидні канали 4 і припливні канали 5 залишають рівними між собою і незмінними. Одночасно вимірюють атмосферний тиск, датчиком 15 і показником 16 температуру потоку припливного повітря, датчиком 11 і показником 12 - температуру потоку викидного повітря, датчиком 13 і показником 14 - відносну вологості потоку викидного повітря, а потік 5 припливного повітря перед подачею на входи 7 припливних каналів підігрівають нагрівачем 9. Теплову потужність нагрівача визначають за формулами (1, 2) і встановлюють регулятором 10. Завдяки тому, що теплова потужність нагрівача повітря 9 визначається з урахуванням як енергетичного балансу між потоками припливного і викидного повітря, що відображає залежність (4), так і взаємозв'язку між температурою і відносною вологістю потоків викидного та припливного повітря і параметрами теплоутилізатора в вигляді залежності (3), забезпечується не обмерзання теплообмінної поверхні 2 з її постійним перебуванням на границі між обмерзанням і не обмерзанням при будь-якій температурі потоку припливного повітря меншій нуля градусів. Якщо температура потоку припливного повітря чи відносна вологість і температура потоку викидного повітря змінюються, то визначивши датчиком 15 і показником 16 - температуру потоку припливного повітря, датчиком 11 і показником 12 - температуру потоку викидного повітря, датчиком 13 і показником 14 - відносну вологість потоку викидного повітря, за формулою (1) розраховується нове значення теплової потужності нагрівача 9, яке встановлюється регулятором 10 теплової потужності. Приклад. Розглядається спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень, який має такі параметри і умови експлуатації засобу для його реалізації: коефіцієнт температурної ефективності ηt=0,5; коефіцієнт використання теплоти конденсації водяної пари викидного повітря ξ=0,2; витрату повітря через припливні і викидні канали теплоутилізатора V=0,4 кг/с; атмосферний тиск Ра=101325 Па; температура холодного потоку припливного повітря tХП= 15 °C; температуру потоку викидного повітря tП1=16 °C; відносну вологість потоку викидного повітря φП1=80 %. При вказаних умовах за формулами (1, 2) визначено Р=2492 Вт. За допомогою регулятора 10 встановлюється теплова потужність нагрівача 9 потоку припливного повітря 2492 Вт. При цьому буде забезпечено не обмерзання теплообмінної поверхні 2 з її постійним перебуванням на границі між обмерзанням і не обмерзанням та найбільш ефективна утилізація теплоти вентиляційних викидів тваринницького приміщення. 4 UA 102431 C2 5 Якщо температура потоку припливного повітря підвищиться, наприклад, до tХП= -10 °C, то Р=482 Вт. При змінні відносної вологості повітря в приміщенні, а отже, і відносної вологості потоку викидного повітря, наприклад, при φП1=60 %, а інші параметри залишаться такі як в першому прикладі, то Р=3377 Вт. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 Спосіб запобігання обмерзанню теплообмінної поверхні рекуперативного теплоутилізатора вентиляційних викидів тваринницьких приміщень, який передбачає пропускання потоку припливного повітря через припливні канали, а потоку повітря вентиляційних викидів через викидні канали теплоутилізатора назустріч потоку припливного повітря, причому при температурах припливного повітря, менших нуля градусів витрати повітря через викидні і припливні канали, залишають рівними між собою і незмінними, одночасно з цим вимірюють атмосферний тиск, температуру холодного потоку припливного повітря та температуру і відносну вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора, який відрізняється тим, що потік повітря на вході в припливні канали підігрівають, а потужність нагрівача повітря визначають за формулою: P  c  V  t П  t ХП  , (1) де c - питома теплоємність повітря, кДж/(кг °С); V - витрата повітря через припливні канали теплоутилізатора, кг/с; t XП - температура холодного потоку припливного повітря (температура зовнішнього повітря), °С; tП - температура потоку повітря на вході в припливні канали теплоутилізатора після нагрівача повітря, °С, яка визначається з формули: tП        tП     0,622    P  exp   t П1      62,2  P0  exp П1 0 t   t     2 П1  П    t П1  1   t     r     c      t П1      tП     Pa  П1  P0  exp Pa  100  P0  exp   t   t  П1  П          tП   62,2  P0  exp  t  cв П   t  2   3 c     tП   Pa  100  P0  exp  t  П      t П1       0,622  П1  P0  exp    t    r  П1    c в  t П1          t П1     c  Pa  П1  P0  exp    t    П1          0,622  П1  P0  exp   t П1  t   П1        t П1      Pa  П1  P0  exp   t  П1    2          tП     4     ln П1     t П1     t П1   62,2  P0  exp  t     100     П        t П1  t П   1   t       tП    П1       ln  Pa  100  P0  exp  100     t П1    t     П     1        t П   2  0,622  П1  P0  exp   t П1    62,2  P0  exp  t     t     r П1  П        1   t      c    t П1      t П     Pa  100  P0  exp  Pa  П1  P0  exp   t       t   П1  П      30 , (2) де t П1 - температура повітряного потоку вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора (температура повітря в приміщенні), °С; 5 UA 102431 C2 5 10 П1 - відносна вологість повітря вентиляційних викидів на вході викидних каналів теплоутилізатора (відносна вологість повітря в приміщенні), %;  t - коефіцієнт температурної ефективності теплоутилізатора, відн. од.;  - коефіцієнт використання теплоти конденсації водяної пари викидного повітря, відн. од.; c в - питома теплоємність водяної пари, кДж/(кг °С); r - скрита теплота пароутворення, кДж/кг; Pa - атмосферний тиск, Па;  - постійна величина,   17,5043 ;  - постійна величина,   2412 °С; , P0 - постійна величина, P0  6,1121 гПа. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6