WPŁYW POWIERZCHNI OśEBROWANYCH KRZYśOWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA NA SKUTECZNOŚĆ ODZYSKU CIEPŁA W UKŁADACH WENTYLACJI I KLIMATYZACJI

Transkrypt

1 WPŁYW POWIERZCHNI OśEBROWANYCH KRZYśOWYCH WYMIENNIKÓW CIEPŁA NA SKUTECZNOŚĆ ODZYSKU CIEPŁA W UKŁADACH WENTYLACJI I KLIMATYZACJI Andzej JEDLIKOWSKI a, Maciej SKRZYCKI a, Daia DENISIKHINA b a Wydział InŜynieii Śdwiska, Plitechnika Wcławska, ul. Nwida 4/6, Wcław b Wydział InŜynieii Śdwiska, Sankt-Petesbuski Państwwy Uniwesytet Budwnictwa i Achitektuy, ul. ga Kasnamejskaja 4, 95 Sankt-Petesbug, Fedeacja Rsyjska Steszczenie: W atykule pisan pcesy wymiany ciepła i masy w wymienniku kzyŝwym wypsaŝnym w elementy Ŝebwane. Zwócn uwagę na pblemy eksplatacji uządzenia w waunkach pwstawania nu w niskich tempeatuach pwietza zewnętzneg. Pzedstawin mdel wymiany ciepła i masy w kanałach wymiennika d dzysku ciepła z uwzględnieniem pzejścia fazweg na pwiezchnię Ŝebwaną. Słwa kluczwe: ekupeat, wymiana ciepła i masy, mdelwanie.. Wpwadzenie Aktywne pszukiwania ezew szczędnści zasbów enegetycznych pwadzą d zwacania caz większej uwagi na ppawę działania systemów wentylacji i klimatyzacji, jak głównych knsumentów enegii elektycznej i ciepła. Wzst zuŝycia enegii, ptzeba utzymania czysteg śdwiska az wymgi pawne pzyczyniły się d wpwadzenia acjnalneg gspdawania zasbami enegetycznymi. Z teg pwdu zpczęt działania mające na celu ppawę pacy układów wentylacji i klimatyzacji. Uządzenia stanwiące wypsaŝenie cental wentylacyjnych wymagają wyskieg zaptzebwania enegii pzy ciepln-wilgtnściwej bóbce pwietza. ObniŜenie zuŝycia enegii mŝna zapewnić ppzez stswanie wymienników d dzysku ciepła z pwietza wywiewaneg. Z pśód wymagań stawianych pzez inwesta mŝna wymienić eknmię i niezawdnść działania zastswaneg związania. Z tej pzyczyny w Plsce badz ppulane są układy wentylacyjne z kzyŝwym wymiennikiem ciepła. Pdczas całcznej eksplatacji kzyŝwe wymienniki ciepła pddawane są wpływm zmiennych waunków atmsfeycznych. Pzy niskich tempeatuach kesu zimneg istnieje mŝliwść wystąpienia kndensacji az pwstawania nu. Pmim teg, Ŝe kndensacja zwiększa dzysk ciepła na skutek ddatkweg wytwzenia ciepła utajneg (kł 3%, długtwała paca uządzenia w takich waunkach mŝe pwadzić d nienia wypełnienia (ys..,,8,6,4 Y nu pzejściwy mky, suchy, X,,,4,6,8, Rys.. Stefy aktywnej wymiany ciepła i masy w kanałach kzyŝweg wymiennika ciepła Rys.. Schemat idewy Ŝebwaneg kzyŝweg wymiennika ciepła Aut dpwiedzialny za kespndencję. andzej.jedlikwski@pw.wc.pl 39

2 Civil and Envinmental Engineeing / Budwnictw i InŜynieia Śdwiska ( W tym pzypadku zapewnienie bezpiecznych waunków pacy pdbnych wymienników częst związane jest z kniecznścią bniŝenia ich spawnści. Dlateg teŝ naleŝy za pmcą fizyk-matematycznych mdeli pzeanalizwać skutecznść pcesów wymiany ciepła i masy w celu uwzględnienia pwyŝszych zjawisk. Nwczesne wymienniki wypsaŝne są w elementy Ŝebwane (ys., mające na celu pdwyŝszenie skutecznści dzysku ciepła ze względu na większą pwiezchnię kntaktu z pwietzem. Rdzaj Ŝebe az spsób ich usytuwania dgywają isttną lę w pcesach wymiany ciepła i masy. Niestety zmienna tempeatua Ŝeba znacznie badziej kmplikuje fizykmatematyczne mdele i mŝe być pzyczyną wystąpienia óŝnych waiantów pcesów wymiany ciepła i masy (ys. 3.. Mdel fizyk-matematyczny Opisywane w liteatuze ε NTU mdele wymiany ciepła i masy pzeznaczne są głównie dla wymienników kzyŝwych wypsaŝnych w kanały płaskie (Anisimv i Vasiljev, 5; Anisimv i in., 5; Ku i Yuan, ; Misha i in., 8; Stitchkv i Dimitv, 998. Analiza wpływu pcesów kndensacji na skutecznść dzysku ciepła w wymiennikach Ŝebwanych jest aczej niesptykana. PniŜej pzedstawin mdel pcesów wymiany ciepła i masy z uwzględnieniem mŝliwści wystąpienia kndensacji na części pwiezchni Ŝeba w kanale pwietza wywiewaneg (ys. 3-6 pzy następujących załŝeniach: stumień pwietza jest idealną mieszaniną gazu, zawieającą suche pwietze i paę wdną; siłą napędwą pzenszenia masy jest gadient zawatści wilgci (ciśnień cząstkwych pay wdnej; chaakteystyki kinetyczne stumienia pwietza i wastwy ganicznej wdy pzyjmuje się jak stałe i ówne śednim całkwym watścim w pzekju ppzecznym kanału; Rys. 4. Schemat idewy kzyŝweg wymiennika ciepła Rys. 3. Schematy wymiany ciepła i masy w kanale Ŝebwanym wzdłuŝna dyfuzja mlekulana pay wdnej w pwietzu, jak ównieŝ wzdłuŝne pzewdzenie ciepła są nieznaczne; pdczas kndensacji wilgci na pwiezchni ścianek kanału w pstaci cieczy, pzyjęt tempeatuę płyty ówną tempeatuze wastwy kndensatu t sc =t sc =t sc ; wydzielające się ciepł pzejścia fazweg w całści zuŝywane jest d pdgzewania stumieni pwietza; bak akumulacji w wypełnieniu; tempeatua ścianek kanałów (kndensatu zmienia się waz z kieunkiem uchu pwietza i zaleŝy d waunków pzebiegu pcesów wymiany ciepła w kanałach. 4

3 Andzej JEDLIKOWSKI, Maciej SKRZYCKI, Daia DENISIKHINA Równania fizyk-matematyczneg mdelu pcesów wymiany ciepła i masy ealizwane są w katezjańskim układzie współzędnych. Osie X i Y skiewane są ównlegle dpwiedni d kieunków pzepływających stumieni pwietza nawiewaneg i wywiewaneg. Osie Z i Z umieszczne są pstpadle d pwiezchni pzegód wymiennika. Rys. 6. Wymiana ciepła i masy w elemencie Ŝeba pstkątneg w kanale pwietza wywiewaneg Fizyk-matematyczny mdel wymiany ciepła i masy składa się z następujących układów ównań:. Układ ównań óŝniczkwych bilansów cieplnych i wilgtnściwych dla stumieni pwietza nawiewaneg ( i wywiewaneg (-3: t * δ zeb t Ŝeb = NTU ( tsc t ( X szeb mŝeb szebhŝeb Z Z = ( δ δ zeb + * zeb NTU ( t sc t s t zeb = Z = + Y * hŝeb NTU ( t + Ŝeb t dz s Ŝeb Z = ( δ sc c pw x + ( t sc t + Ψ ( t,x c p Y ( δ δ zeb + zeb ( σ sc xsc x x szeb * = NTU Le Z = Y hŝeb + ( σŝeb xŝeb x dz s Ŝeb Z = ( δ sc ( (3 Rys. 5. Wymiana ciepła i masy w kanałach ekupeata z Ŝebwaniem pstkątnym. Układ ównań óŝniczkwych pzewdnści cieplnej Ŝeba dla kanałów pwietza nawiewaneg (4 i wywiewaneg (5: Rzpatywanie pzemian temdynamicznych dla Ŝeba pstkątneg będzie pzepwadzne pzy następujących załŝeniach (ys. 6: tempeatua Ŝeba u nasady (Z j = ma watść ówną lkalnej tempeatuze ścianki t Ŝebj = t scj ; współczynnik pzejmwania ciepła α d Ŝeba d pwietza ma stałą watść; pzewdzenie ciepła w Ŝebze jest jednwymiawe w kieunku si Z j, (lkalna tempeatua w dwlnym pzekju Ŝeba ma watść t Ŝeb. t Ŝeb Z ( = m h t t zeb Ŝeb zeb tŝeb =, pzy Z ; ( δ Z sc ( t t zeb t Ŝeb = m zebhŝeb σ zeb Z + ( x xzeb qzeb Le cp pzy Z ( δ ; sc, (4 (5 3. Równanie bilansu cieplneg dla pzemian zachdzących na pwiezchni wypełnienia wymiennika: 4

4 Civil and Envinmental Engineeing / Budwnictw i InŜynieia Śdwiska ( W t t q sc x ( t,x W X Y c Y Ψ + ( qsc qŝeb p + Ω, = (6 4. Równanie bilansu cieplneg dla pzemian zachdzących na pwiezchni ścianki (7 i Ŝeba (8 kanału pwietza wywiewaneg wymiennika: λ δ sc ( t t α ( t t + + sc sc sc α + σ sc ( x sc x qsc =, pzy ( δ > sc cp Le λ δ Ŝeb ( t t α ( t t + + zeb Ŝeb zeb α + σ ( zeb x zeb x qzeb = cp Le Pzedstawine ównania naleŝy związywać w uzupełnieniu pniŝsze waunki bzegwe: na wejściach d dpwiednich kanałów wypełnienia t = t ; t = t ; x = x. e e e = ; = ; = X X X = = = Y Y Y na pwiezchni ścianki kanału pwietza wywiewaneg, pdczas któych mŝe występwać kndensacja w pstaci wilgci lub nu σ = σ = x = x x = x sat sc sc sc sc sc ; ; ; t sc > t tsc t tsc > t t sc t q = ; q = + q. sc sc t sc t t sc t t > t sc sc (7 (8 (9 ( ( dla Ŝebwania w kanałach pwietza nawiewaneg i wywiewaneg t = t = t t = ; ; = = Ŝeb sc sc Ŝeb Z t Z Z = t = t t = ; = = Ŝeb sc sc Ŝeb Z Z Z ( na pwiezchni Ŝeba w kanale pwietza wywiewaneg w waunkach ewentualneg pwstawania kndensacji w pstaci wilgci lub nu σ = σ = x = x x = x sat Ŝeb Ŝeb Ŝeb Ŝeb sc ; ; ; t Ŝeb > t tŝeb t tŝeb > t t Ŝeb t q = q = + q Ŝeb Ŝeb t Ŝeb t ; t Ŝeb t > t t Ŝeb Ŝeb (3 (4 W ównaniach wpwadzn ppawki wymagające ddzielnej intepetacji: Ψ ( t,x jest ppawką uwzględniającą zmianę tempeatuy Ŝeba wzdłuŝ si Z : * h c Ŝeb pw Ψ ( t,x = NTU sŝeb Le c p Z = σŝeb ( x Ŝeb x ( t Ŝeb t sc dz (5 Z = ( δ Ψ sc ( t,x jest ppawką uwzględniającą zóŝnicwane watści tempeatu ścianki i Ŝeba pzy kndensacji wilgci na ich pwiezchni: Ψ ( t,x ( δ δ zeb + * zeb NTU s zeb = σ c sc pw ( t sc t ( x sc x Le c p * h Ŝeb c pw NTU sŝeb Le c p Z = σŝeb ( x Ŝeb x ( t Ŝeb t dz Z = ( δ sc ( qsc, qŝeb (6 Ω ppawka, uwzględniająca zmianę chaakteu pcesu kndensacji wilgci na pwiezchni Ŝeba (ys. 3: Ω ( q, q sc Ŝeb Z = * h Ŝeb NTU c Le p s Ŝeb = qŝebσŝeb ( x Ŝeb x dz Z = ( δ sc Z = q h NTU cple s Ŝeb Z = ( δ σŝeb ( x Ŝeb x dz (7 * sc Ŝeb sc Oznaczenia indeksów: pwietze zewnętzne, pwietze wywiewane, e wejście d wymiennika, wyjście z wymiennika, punkt sy, sat stan nasycenia, n. gdzie α jest współczynnikiem pzejmwania ciepła w W/(m K; β jest współczynnikiem wymiany masy w kg/(m s; c p jest ciepłem właściwym pwietza w kj/(kg K; δ Ŝeb jest gubścią Ŝeba w m; δ jest gubścią wastwy nu w m; F jest pwiezchnią uczestniczącą w wymianie ciepła i ewentualnej wymianie masy w m, h Ŝeb jest wyskścią Ŝeba w m; l Ŝeb jest długścią Ŝeba w m; λ Ŝeb jest współczynnikiem pzewdnści cieplnej Ŝeba w W/(m K; λ jest współczynnikiem pzewdnści cieplnej dla wastwy nu w W/(m K; Le jest liczbą Lewisa; m jest współczynnikiem Ŝebwania m Ŝeb =α/(λ Ŝeb δ Ŝeb ; NTU jest liczba tanspnwanych jednstek NTU=(α F/(G c p ; s jest skkiem Ŝeba, t jest tempeatuą stumienia pzepływająceg pwietza w K; t jest tempeatua 4

5 Andzej JEDLIKOWSKI, Maciej SKRZYCKI, Daia DENISIKHINA stumienia taczająceg pwietza w K; t jest tempeatuą punktu sy pwietza w K; t sc jest tempeatuą ścianki wymiennika w K; t jest lkalną (bieŝąca tempeatuą pwiezchni nu w K; t Ŝeb jest tempeatuą Ŝeba w dwlnym pzekju w K; t = (t + t / jest śednią lkalną tempeatuą wastwy nu w K; x jest zawatścią wilgci w stumieniu pzepływająceg pwietza w kg/kg; x jest zawatścią wilgci w stumieniu taczająceg pwietza w kg/kg; x jest lkalną zawatścią wilgci w pwietzu nasycnym wastwy pzyganicznej nad pwiezchnią nu w kg/kg; q jest ciepłem pzejścia fazweg w kj/kg; σ jest bezwymiawym współczynnikiem keślającym wystąpienie lub bak kndensacji. Sfmułwane układy ównań (-7 związane zstaną w celu wyznaczenia zkładu tempeatu i ustalenia stef aktywnej wymiany ciepła i masy w kanałach pzepływająceg pwietza i na pwiezchniach Ŝebwanych. PwyŜsze zagadnienie jest nieliniwe i nie mŝe być związane na ddze analitycznej, z teg pwdu całkwanie układów ównań óŝniczkwych zwyczajnych ealizwane będzie metdami numeycznymi. aby mŝliwe był wydębnienie niektóych, najbadziej niebezpiecznych waiantów pacy Ŝeba pzy pwstawaniu nu (ys. 3: dla pzypadku, w któym na części pwiezchni Ŝebe mŝe wystąpić stefa sucha az stefy kndensacji w pstaci cieczy i nu (ys. 3e, 8a; dla pzypadku, w któym na części pwiezchni Ŝebe mŝe wystąpić kndensacja w pstaci cieczy az nu (ys. 3h, 8b; dla pzypadku, w któym na części pwiezchni Ŝebe mŝe wystąpić stefa sucha az stefa kndensacji wyłącznie w pstaci nu (ys. 3g, 8c. Pzepwadzna analiza wykazała, iŝ pdbnie jak w kanałach ekupeata, na Ŝebach mŝna wydębnić suchej wymiany ciepła az stefy kndensacji, któe psiadają dębny chaakte pcesów wymiany ciepła i masy (ys C t w =f(y,,,,3,4,5,6,7,8,9,y X=, X=, X=,4 X=,6 X=,8 X=, Śednia Stefa sucha Stefa mka Stefa nu 3. Wyniki bliczeń Na ys. 7-8 pzedstawin wyniki pacy wstępnej wesji pgamu sknstuwaneg na pdstawie pzedstawineg mdelu. Wykesy zstały utwzne dla waunków zewnętznych bliczeniwych III stefy klimatycznej. Paamety pwietza pzyjęt w taki spsób Rys. 7. Pzebieg zmian tempeatuy pwiezchni wypełnienia w Ŝebwanym kzyŝwym wymienniku ciepła a tempeatua temmetu sucheg, C zawatść wilgci, g/kg Pwietze zewnętzne Śednia X=, X=, X=,4 X=,6 X=,8 X=, Śednia b tempeatua temmetu sucheg, C zawatść wilgci, g/kg Pwietze zewnętzne Śednia X=, X=, X=,4 X=,6 X=,8 X=, Śednia c tempeatua temmetu sucheg, C zawatść wilgci, g/kg Pwietze zewnętzne Śednia X=, X=, X=,4 X=,6 X=,8 X=, Śednia Rys. 8. Pzebieg zmian stanu paametów pwietza na wykesie i x dla óŝnych waiantów pacy wymiennika kzyŝweg z uwzględnieniem Ŝebwania 43

6 Civil and Envinmental Engineeing / Budwnictw i InŜynieia Śdwiska ( Pdsumwanie W pacy pzedstawin i sfmułwan yginalny fizyk-matematyczny mdel pcesów wymiany ciepła i masy dla wymiennika kzyŝweg wypsaŝneg w elementy Ŝebwane. Opacwan numeyczną metdę bliczeń pdstawwych paametów wymiany ciepła i masy w wymienniku kzyŝwym. Za pmcą pzepwadznej analizy wykazan isttny wpływ pwiezchni Ŝebwanej na chaakte pcesów wymiany ciepła i masy w kanałach ekupeata. Otzymane wyniki będą pdstawą d ustalenia zakesu zmian ptymalnych bczych paametów zpatywaneg wymiennika ciepła az u jeg acjnalneg wykzystania w zaleŝnści d waunków klimatycznych. Liteatua Anisimv S., Vasiljev V. (5. Optimizatin f heat and mass tansfe in css-flw indiect evapative cle. Junal f Civil Enginees, Vl. 4, N. 3, Anisimv S., Vasiljev V., Klimv S., Bltin S. (5. Optymalizacja dzysku ciepła w ekupeatach uządzeń klimatyzacyjnych. Zeszyty Naukwe Wydziału Mechaniczneg, N 37, Plitechnika Kszalińska, Mieln, Ku H. S., Yuan P. (. The cmpaisn f lngitudinal wall cnductin effect n the cssflw heat exchanges including thee fluid steams with diffeent aangements, Applied Themal Engineeing, Vl., N. 8, Misha M., Das P. K., Saangi S. (8. Effect f tempeatue and flw nnunifmity n tansient behaviu f cssflw heat exchange. Intenatinal Junal f Heat and Mass Tansfe, Vl. 5, N. 9-, Stitchkv N. J., Dimitv G. I. (998. Effectiveness f cssflw plate heat exchange f indiect evapative cling. Int J. Refig., Vl., N. 6, AN INFLUENCE OF SURFACE CROSS-FLOW PLATE- FIN HEAT EXCHANGERS ON EFFICIENCY OF HEAT RECOVERY SYSTEMS IN THE VENTILATION AND AIR CONDITIONING Abstact: Mathematical mdel f cupled heat and mass tansfe in the plate fin heat exchanges used in ai cnditining systems f enegy ecvey fm exhaust ai is discussed. The iginal mdel has been ppsed n the base f ε NTU mdel. Numeical methd f calculatin f basic themdynamical paametes has been develped. The caied ut analysis shws a significant influence f finned suface n the pcesses f heat and mass tansfe in the unit channel. The eceived esults ffe scpe f estimatin f ptimal peating cnditins ange vaiatins f plate fin heat exchanges, used in ai cnditining systems f enegy ecvey. 44