Методическое пособие 826

Научный журнал строительства и архитектуры

изменение содержания бутана марки БТ в ГВС (от 1 до 100 %). Результаты расчетов представлены на рис. 1.

Зона рекомендуемого отклонения числа Воббе

Диапазон содержания БТ в газовоздушной смеси, %

Рис. 1. Определения оптимального процентного соотношения смеси бутана технического с воздухом при определении взаимозаменяемости горючих газов.

Как видно из графика (рис. 1) содержание бутана в газовоздушной смеси должно быть не менее 48 % и не более 54 %. Смесь указанного состава полностью соответствует требованиям взаимозаменяемости горючих газов.

2. Определение температуры точки росы газовоздушной смеси. Как отмечалось ра-

нее, при использовании газовоздушных смесей снижается температура точки росы, что благоприятно влияет на безгидратную работу систем газоснабжения.

Парциальное давление насыщенного пара бутана, в соответствии с корреляцией Антуана [1, 19], определяется по выражению:

где Аб, Вб, Сб – константы уравнений, значения которых для н-бутана приводятся в [7, 11]. В соответствии с выражением (4) и номограммами определения температур точки росы

[3, 10] были определены температуры точки росы предлагаемой газовоздушной смеси и технического бутана. В таблице для сравнения представлены значения температур точки росы рекомендуемой газовоздушной смеси на основе бутана и бутана технического.

Как видно из таблицы, применение газовоздушной смеси значительно понижает температуру точки росы. Так, например, применение технического бутана обусловливает конденсацию паров воды и газообразной фазы уже при минус 10С, а при повышении давления захватывает диапазон положительных температур, что полностью исключает применение технического бутана даже в теплый период года.

40

Применение газовоздушной смеси смещает линию насыщения паровой фазы парами влаги, позволяя забирать паровую фазу бутана из подземной емкости при положительных температурах и транспортировать с понижением температуры до минусовых значений, минуя зону гидратообразования при любом рекомендуемом уровне содержания бутана в газовоздушной смеси.

Данное обстоятельство обуславливает привлекательность применения газовоздушных смесей для газоснабжения потребителей в круглогодичном режиме эксплуатации.

3. Обоснование уровня заполнения резервуара техническим бутаном. В соответст-

вии с правилами безопасной эксплуатации резервуаров сжиженного углеводородного газа СП 62.13330.2011*, рекомендуемый уровень заполнения жидкой фазой не должен превышать 85 %. Указанное обстоятельство обуславливается высоким коэффициентом объемного расширения при нагревании газа в наземной емкости. При этом указанный уровень заполнения приводится в расчете на газ, имеющий больший коэффициент объемного расширения, — пропан. В то же время согласно ГОСТ Р 52087-2018 газы углеводородные сжиженные выпускают около пяти основных марок с различным долевым содержанием пропана и бутана. Таким образом, для газов на основе бутана емкость при максимальном нагреве окажется не полностью заполненной, что приводит к неэффективному использованию резервуара СУГ. Необходимо отметить, что уровень заполнения наземных и подземных емкостей необходимо принимать дифференцировано вследствие различной максимальной температуры нагрева. Для расчета объемного расширения в наземных емкостях принимают предельную температуру плюс 55 0С, для подземных емкостей — плюс 40 0С [3]. Подземные емкости в силу меньшего температурного нагрева от грунтового массива могут иметь большую степень наполнения.

Для определения степени заполнения резервуара сжиженным газом с повышенным содержанием бутановых фракций воспользуемся диаграммами состояния и проведем исследования [3]. На степень заполнения емкости жидкой фазой значительное влияние оказывает период времени года. Поэтому динамику степени заполнения резервуара газом необходимо рассматривать с учетом круглогодичного использования резервуара СУГ.

Степень заполнения емкости определится из соотношения:

где tж — удельный объем жидкости в момент заполнения при соответствующей температу-

ре сжиженного газа, м3/кг; tжmax — удельный объем жидкости при максимальной температу-

ре нагрева СУГ в резервуаре, м3/кг [10].

41

Научный журнал строительства и архитектуры

Удельный объем бутана технического в резервуаре в жидком состоянии при любой температуре определится по выражению:

где а, b — содержание пропана и бутана в сжиженном углеводородном газе, % (вес.);tпр , tб — удельный объем жидкости пропана и бутана при соответствующей температуре в

момент заполнения, м3/кг.

Для определения возможного уровня заполнения резервуаров были проведены расчеты для наземного и подземного расположения емкостей СУГ для состава газа соответствующего по ГОСТ Р 52087-2018 марке бутан технический. Температура СУГ в момент заполнения емкостей варьировалась от минус 10 0С до максимальной при соответствующем расположении емкостей [10].

Результаты расчетов представлены на графиках (рис. 2).

Рис. 2. Обоснование уровня заполнения резервуаров: 1— подземный резервуар с заполнением бутаном техническим; 2 — наземный резервуар с заполнением бутаном техническим

Анализ графиков (рис. 2) показал, что независимо от состава сжиженного газа и первоначальной температуры заполнение подземной емкости может быть увеличено по сравнению с наземной. Так, например, для наземной емкости предельный уровень заполнения при температуре сжиженного газа +20 0С равен 89 %, а подземной при аналогичных условиях может быть принят 95 %. Разность уровней заполнения при различных температурах составляет от 4,7 % при температуре сжиженного газа минус 10 0С до 15 % при температуре сжиженного газа плюс 40 0С.

Данное обстоятельство позволит вмещать в расчете на емкость объемом 5 м3 дополнительно от 170 до 203 кг бутана технического, увеличить диапазон работы емкости между соседними заправками при использовании газового топлива на нужды отопления, горячего водоснабжения и пищеприготовления до 3,5 дней в холодный период года и до 20 дней в теплый период на цели пищеприготовления и горячего водоснабжения при отсутствии отопления.

Выводы

1. Состав газовоздушной смеси на основе бутана для газоснабжения потребителей должен включать 48—54 % бутана и 52—46 % воздуха соответственно. Данный состав отвечает

42

условию взаимозаменяемости горючих газов и находится в пределах 5 % колебаниях числа Воббе.

2.Применение газовоздушных смесей «бутан — воздух» снижает температуру конденсации водяных паров на 10 и более градусов по отношению к паровой фазе технического бутана, что благоприятно сказывается на режимах газопотребления в холодный период года.

3.При заполнении резервуара сжиженного газа необходимо дифференцированно подходить к вопросу о степени заполнения емкости жидкой фазой. Установлено, что состав газа

испособ размещения емкости оказывает значительное влияние на степень заполнения. Учет выше перечисленных факторов позволяет обеспечить повышение эффективности систем га-

зоснабжения при использовании технического бутана, обеспечивая повышенную вместимость емкостей от 4,7 % при температуре сжиженного газа минус 10 0С до 15 % при температуре сжиженного газа плюс 40 0С.

Библиографический список

1. Бычкова, И. М. К определению коэффициента теплопередачи при теплообмене горловины подземного резервуара с окружающим грунтовым массивом / I. M. Bychkova, A. A. Pobery // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. — 2018. — № 9. — С. 282—288.

2. Карасевич, А. М. Расширение источников поставок газа при газификации регионов России / А. М. Карасевич, Ю. Н. Ярыгин, Ю. В. Дроздов // Газовая промышленность. — 2009. — № 640. — С. 23—25.

3.Клименко, А. П. Сжиженные углеводородные газы / А. П. Клименко. — М.: Гостехиздат, 1962. —

429 с.

4.Концепция Стратегии социально-экономического развития регионов Российской Федерации (в сокращении) // Среднерусский вестник общественных наук. — 2007. — № 3—2 (4). — С. 122-138.

5.Курицын, Б. Н. Технико-экономическая оптимизация систем теплогазоснабжения / Б. Н. Курицын, О. Н. Медведева. — Саратов, 2011. — 62 с.

6. Курицын, Б. Н. Экономические предпосылки к выбору источника энергоснабжения зданий / Б. Н. Курицын, А. П. Усачев, О. Б. Шамин // V Междунар. съезд АВОК. — М.: ГП Информрекламиздат, 1996. — С. 105—110.

7.Рид, Р. Свойства газов и жидкостей / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. — Л.: Химия, 1982. — 592 с.

8.Сидоров, Р. И. Автономное газоснабжение для частного дома / Р. И. Сидоров, А. Н. Стариков // Academy. — 2016. — № 1(4). — С. 24—27.

9.Стратегия социально-экономического развития Дальнего Востока, Республики Бурятия, Забайкальского края и Иркутской области на период до 2025 года (утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2009 г.) [Электронный ресурс]. — № 2094-р. — https://www.garant.ru/products/ipo/ prime/doc/6632462.

10. Стаскевич, Н. Л. Справочник по сжиженным углеводородным газам / Н. Л. Стаскевич, Д. Я. Вигдорчик. — Л.: Недра, 1986. — 543 с.

11.Тиличеев, М. Д. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов / М. Д. Тиличеев. — М.—Л.: Гостоптехиздат, 1947. — Вып. 2—4. — 540 с.

12.Bychkova, I. M. To the Determination of the Coefficient of Heat Transfer During Heat Exchange of the Neck of an Underground Reservoir with a Surrounding Soil Massif / I. M. Bychkova, A. A. Pobery// Resource-Energy- Efficient Technologies in the Construction Complex: Materials of the VI International Scientific-Practical Conf. SSTU. — 2018. — P. 282—288.

13.Costa, F. C. Technical Procedures for Using Synthetic Natural Gas As an Alternative to Natural Gas in Different Supply Conditions for Industrial Customers / F. C. Costa, E. Moutinho dos Santos // Brazilian Journal of Petroleum and Gas. — 2015. — Vol. 9, № 2. — Р. 37—44.

14.Durr, C. A. Vapor Recovery From Liquid Hydrocarbon Storage Tank / C. A. Durr // Proceeding of 10th Gas TechnologyConference. — New York, 1984. — P. 521—526.

15. Morge, R. P. Heat and Mass Transfer during Liquid Evaporation form Porous Material / R. P. Morge,

S.P. Yerazunis // Heat Transfer with Phase Change. — 1967. — № 63. — P. 1—7.

16.Muşat, N-G. Flame Ignition and Quenching of N-Butane-Air Mixture at Various Initial Pressures. Critical Properties / N-G. Muşat, V. Munteanu // Revue Roumaine de Chimie. — 2010. —№ 55 (2). — Р. 99—103.

17.Osipova, N. N. Influence of Unstable Temperature of Gaseous Mixture of Propane-Butane on Stable Operation of Autonomous Gas Supply Systems with Natural Regasification / N. N. Osipova, A. A. Pobery //Scientific Herald of the Voronezh State Architectural and Construction University. Series: Engineering Systems of Buildings and Structures. — 2017. — № 49 (68). — P. 69—78.

43

Научный журнал строительства и архитектуры

18. Osipova, N. N. M Application of Gas-Air Mixtures for Gas Supply Facilities / / N. N. Osipova, I. M. Bychkova // Sci and Technical Problems of Improvement and Development of Gas-Energy Supply Systems: Materials of the International Scientific-Practical Conf. SSTU. — 2018. — P. 17—19.

19.Thompson, G. W.The Antoine Equation for Vapor-Pressure Date / G. W Thompson // Chemical Reviews. — 1946. — Vol. 38, № 1. — P. 1—39.

20.Usachev, A. P. Development of the Equation of Thermal Balance of the Horizontal Pipe Heat Exchanger of the Ground Heat Pump / A. P. Usachev, A. L. Shurayts, A. V. Rulev, M. V. Pavlutin // Sci and Technical Problems of Improvement and Development of Gas-Energy Supply Systems: Materials of the International Scientific-Practical Conf. SSTU. — 2017. — P. 146—151.

21.Worasaen, A. Suitable Study of CBG Fuel by Considering in Wobbe Index From Compressed BioMethane Gas Plant / A. Worasaen, N. Pannucharoenwong, C. Benjapiyaporn, J. Jongpluempiti // Energy Procedia. — 2017. — Vol. 138. — Р. 278—281.

References

1.Bychkova, I. M. K opredeleniyu koeffitsienta teploperedachi pri teploobmene gorloviny podzemnogo rezervuara s okruzhayushchim gruntovym massivom / I. M. Bychkova, A. A. Pobery // Resursoenergoeffektivnye tekhnologii v stroitel'nom komplekse regiona. — 2018. —№ 9. — S. 282—288.

2.Karasevich, A. M. Rasshirenie istochnikov postavok gaza pri gazifikatsii regionov Rossii / A. M. Karasevich, Yu. N. Yarygin, Yu. V. Drozdov // Gazovaya promyshlennost'. — 2009. — № 640. — S. 23—25.

3.Klimenko, A. P. Szhizhennye uglevodorodnye gazy/ A. P. Klimenko. —M.: Gostekhizdat, 1962. — 429 s.

4.Kontseptsiya Strategii sotsial'no-ekonomicheskogo razvitiya regionov Rossiiskoi Federatsii (v sokrashchenii) // Srednerusskii vestnik obshchestvennykh nauk. — 2007. — № 3—2 (4). — S. 122-138.

5.Kuritsyn, B. N. Tekhniko-ekonomicheskaya optimizatsiya sistem teplogazosnabzheniya / B. N. Kuritsyn, O. N. Medvedeva. — Saratov, 2011. — 62 s.

6. Kuritsyn, B. N. Ekonomicheskie predposylki k vyboru istochnika energosnabzheniya zdanii / B. N. Kuritsyn, A. P. Usachev, O. B. Shamin // V Mezhdunar. s'ezd AVOK. — M.: GP Informreklamizdat, 1996. —

S.105—110.

7.Rid, R. Svoistva gazov i zhidkostei / R. Rid, Dzh. Prausnits, T. Shervud. — L.: Khimiya, 1982. — 592 s.

8.Sidorov, R. I. Avtonomnoe gazosnabzhenie dlya chastnogo doma / R. I. Sidorov, A. N. Starikov // Academy. — 2016. — № 1(4). — S. 24—27.

9.Strategiya sotsial'no-ekonomicheskogo razvitiya Dal'nego Vostoka, Respubliki Buryatiya, Zabaikal'skogo

kraya i Irkutskoi oblasti na period do 2025 goda (utv. rasporyazheniem Pravitel'stva Rossiiskoi Federatsii ot 28 dekabrya 2009 g.) [Elektronnyi resurs]. — № 2094-r. — https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/6632462.

10. Staskevich, N. L. Spravochnik po szhizhennym uglevodorodnym gazam / N. L. Staskevich,

D.Ya. Vigdorchik. — L.: Nedra, 1986. — 543 s.

11.Tilicheev, M. D. Fiziko-khimicheskie svoistva individual'nykh uglevodorodov / M. D. Tilicheev. — M.— L.: Gostoptekhizdat, 1947. — Vyp. 2—4. — 540 s.

12.Bychkova, I. M. To the Determination of the Coefficient of Heat Transfer During Heat Exchange of the Neck of an Underground Reservoir with a Surrounding Soil Massif / I. M. Bychkova, A. A. Pobery// Resource-Energy- Efficient Technologies in the Construction Complex: Materials of the VI International Scientific-Practical Conf. SSTU. — 2018. — P. 282—288.

13.Costa, F. C. Technical Procedures for Using Synthetic Natural Gas As an Alternative to Natural Gas in Different Supply Conditions for Industrial Customers / F. C. Costa, E. Moutinho dos Santos // Brazilian Journal of Petroleum and Gas. — 2015. — Vol. 9, № 2. — Р. 37—44.

14.Durr, C. A. Vapor Recovery From Liquid Hydrocarbon Storage Tank / C. A. Durr // Proceeding of 10th Gas TechnologyConference. — New York, 1984. — P. 521—526.

15. Morge, R. P. Heat and Mass Transfer during Liquid Evaporation form Porous Material / R. P. Morge,

S.P. Yerazunis // Heat Transfer with Phase Change. — 1967. — № 63. — P. 1—7.

16.Muşat, N-G. Flame Ignition and Quenching of N-Butane-Air Mixture at Various Initial Pressures. Critical Properties / N-G. Muşat, V. Munteanu // Revue Roumaine de Chimie. — 2010. —№ 55 (2). — Р. 99—103.

17.Osipova, N. N. Influence of Unstable Temperature of Gaseous Mixture of Propane-Butane on Stable Operation of Autonomous Gas Supply Systems with Natural Regasification / N. N. Osipova, A. A. Pobery //Scientific Herald of the Voronezh State Architectural and Construction University. Series: Engineering Systems of Buildings and Structures. — 2017. — № 49 (68). — P. 69—78.

18. Osipova, N. N. M Application of Gas-Air Mixtures for Gas Supply Facilities / / N. N. Osipova, I. M. Bychkova // Sci and Technical Problems of Improvement and Development of Gas-Energy Supply Systems: Materials of the International Scientific-Practical Conf. SSTU. — 2018. — P. 17—19.

19. Thompson, G. W.The Antoine Equation for Vapor-Pressure Date / G. W Thompson // Chemical Reviews. — 1946. — Vol. 38, № 1. — P. 1—39.

44

20.Usachev, A. P. Development of the Equation of Thermal Balance of the Horizontal Pipe Heat Exchanger of the Ground Heat Pump / A. P. Usachev, A. L. Shurayts, A. V. Rulev, M. V. Pavlutin // Sci and Technical Problems of Improvement and Development of Gas-Energy Supply Systems: Materials of the International Scientific-Practical Conf. SSTU. — 2017. — P. 146—151.

21.Worasaen, A. Suitable Study of CBG Fuel by Considering in Wobbe Index From Compressed BioMethane Gas Plant / A. Worasaen, N. Pannucharoenwong, C. Benjapiyaporn, J. Jongpluempiti // Energy Procedia. — 2017. — Vol. 138. — Р. 278—281.

SUBSTANTIATION OF THE USE OF BUTANE

FOR GASIFICATION OF OBJECTS

N. N. Osipova 1, S. G. Kul'tyaev 2

Yury Gagarin Saratov State Technical University,

Institute of Civil Engineering and Architecture 1, 2

Russia, Saratov

1D. Sc. in Engineering, Head of the Dept. of Heat and Gas Supply, Ventilation, Water Supply and Applied Fluid Dynamics, tel.: (8452)99-88-93, e-mail: osnat75@mail.ru

2Lecturer of the Dept. of Heat and Gas Supply, Ventilation, Water Supply and Applied Fluid Dynamics, tel.: (8452)99-88-93, e-mail: svyatoslav@kultyaev.ru

Statement of the problem. The variable composition of liquefied petroleum gas has a significant impact on the operation of autonomous gas supply systems. The presence of the butane fraction under the conditions of sub-zero temperatures leads to the termnination of the generation of the vapor phase in the tank, moisture condensation and formation of ice and hydrate plugs.

Results. The features of the use of technical butane in gas supply systems are examined. The composition of the gas-air mixture is recommended taking into account the restrictions on fluctuations in the Wobbe number ensuring the completeness of combustion of the mixture in the consumer’s gas setups. The level of filling underground tanks with technical butane is justified considering the coefficient of volume expansion of gas in the presence of extreme operating temperatures.

Conclusions. The composition of butane-based gas-air mixtures for gas supply to consumers was determined that meets the condition for the interchangeability of combustible gases and provides lower dew point temperatures; the level of filling of ground and underground tanks with technical butane is justified.

Keywords: gas supply system, butane, gas-air mixture, Wobbe number, interchangeability, reservoir filling level, dew point.

26-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА

СТРОИТЕЛЬНЫХ И ОТДЕЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ MOSBUILD

31 марта — 3 апреля 2020 года, Москва, МВЦ «Крокус Экспо».

Выставка MosBuild пользуется заслуженным авторитетом в профессиональной среде. Мероприятие славится разнообразием строительных и отделочных материалов, которые доставляют из 40 стран мира.

Самая крупная выставка строительных и отделочных материалов MosBuild собирает топовых игроков международного рынка в качестве экспонентов и спикеров деловой программы. В списке значатся всемирно известные бренды: Rehau, Schuco, ABC Farben, Benjamin Moore, ROCA, Villeroy & Bosh, Hansgrohe, Atlas и другие.

Сайт выставки: https://www.mosbuild.com.

45

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI 0.25987/VSTU.2019.56.4.004

УДК 697.911:66.096.5

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

А. В. Бараков 1, В. Ю. Дубанин 2, Н. Н. Кожухов 3, Д. А. Прутских 4

Воронежский государственный технический университет 1, 2, 3, 4 Россия, г. Воронеж

1Д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой теоретической и промышленной теплоэнергетики,

тел.: (473)243-76-62, e-mail: pt_vstu@mail.ru

2Канд. техн. наук, проф. кафедры теоретической и промышленной теплоэнергетики,

тел.: (473)243-76-62

3Канд. техн. наук, доц. кафедры теоретической и промышленной теплоэнергетики,

тел.: (473)243-76-62

4 Канд. техн. наук, ст. преп. кафедры теоретической и промышленной теплоэнергетики,

тел.: (473)243-76-62

Постановка задачи. Значительным резервом экономии топливно-энергетических ресурсов в промышленности является использование теплоты вентиляционных выбросов с повышенными температурами для предварительного подогрева приточного воздуха. Анализ литературы показывает, что наибольший эффект от этого может быть получен при использовании в качестве утилизационной установки регенератора с насадкой в виде центробежного псевдоожиженного слоя дисперсного материала. Для достижения эффекта требуется разработка конструкции теплообменника, его оптимизация по нескольким критериям и, как результат, — математические формулы для инженерной методики расчета подобных аппаратов.

Результаты и выводы. Сконструирован теплообменный аппарат, использующий тепловую энергию вентиляционных выбросов, представлена методика расчета температур и скорости газообразных теплоносителей, размера частиц насадки и параметров газораспределительного устройства. Результаты проведенных исследований позволили получить соотношения для инженерной методики расчета теплообменника для утилизации теплоты вентиляционных выбросов.

Ключевые слова: вентиляционные выбросы, утилизационная система, регенеративный теплообменник, оптимальные параметры.

Введение. Экономия топливно-энергетических ресурсов имеет большое значение, поскольку затраты на это мероприятие в 2—3 раза ниже расходов на их добычу и транспортировку к потребителям. Значительным резервом экономии топлива является использование теплоты вентиляционных выбросов для предварительного подогрева приточного воздуха в строящихся и существующих зданиях.

По оценке различных авторов, регенеративное использование теплоты вентвыбросов позволит экономить от 50 до 60 % затрачиваемого в настоящее время топлива или электроэнергии [16, 19, 21]. Однако следует отметить, что эффективность утилизации этой низкопотенциальной теплоты зависит не только от расхода удаляемого воздуха и его температуры, но и от типа утилизационной установки, применяемой для этих целей. Невысокие коэффициенты теплообмена современных теплообменников, а также значительное снижение их показателей при отрицательных температурах атмосферного воздуха уменьшают эффективность утилизации теплоты. C целью правильного выбора типа и конструкции теплообменникаутилизатора для использования теплоты вентиляцион ных выбросов и разработки методики

© Бараков А. В., Дубанин В. Ю., Кожухов Н. Н., Прутских Д. А., 2019

46

его инженерного расчета проведено настоящее исследование. Вначале рассмотрим более подробно теплоутилизационное оборудование, применяемое в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

1. Анализ утилизационных установок теплоты вентвыбросов. В настоящее время используются следующие виды установок для утилизации теплоты вентиляционных выбросов [11]:

с тепловым насосом;

с рекуперативным теплообменным аппаратом;

с тепловыми трубками;

с регенеративным теплообменным аппаратом.

Вутилизационной системе с теплонасосной установкой (ТНУ) пары хладагента, образующиеся в теплообменнике, сжимаются компрессором и поступают в другой теплообменник, где теплота конденсации поглощается наружным воздухом, а жидкий хладагент дросселируется и направляется в теплообменник, где, испаряясь, забирает теплоту от удаляемого воздуха. Таким образом, в установках этого типа происходит утилизация теплоты удаляемого воздуха с одновременным повышением ее потенциала. Это обстоятельство делает утилизационную установку экономически целесообразной даже при низких температурах удаляемого воздуха и небольшом числе часов ее эксплуатации. Однако при несомненных достоинствах утилизационных установок на базе ТНУ они не нашли в настоящее время широкого распространения. Это связано, на наш взгляд, с отсутствием серийно выпускаемых ТНУ для этих целей, а также со значительным усложнением и удорожанием всей системы создания микроклимата.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили рекуперативные теплообменники пластинчатого типа [18], теплообменная поверхность которых выполнена из тонких листов алюминия или меди. Для увеличения поверхности теплообмена пластины могут быть гофрированными. Однако при низких температурных напорах работа таких утилизаторов становится неэффективной.

Вотдельную группу следует выделить рекуперативные теплообменные аппараты с промежуточным теплоносителем, например, теплообменники, содержащие в своем составе тепловые трубки, работа которых заключается в следующем. В потоке вытяжного воздуха размещается одна из крайних частей тепловых трубок; другая же часть находится при этом в области приточного воздуха, имеющего температуру ниже температуры вытяжного воздуха. Скорости вытяжного и приточного потоков при этом варьируются от 1,5 до 4,5 м/с. Теплоноситель, находящийся внутри тепловой трубы, испаряется за счет тепловой энергии вытяжного воздуха, и образованный пар поступает в другую часть тепловой трубы. Здесь опять происходит фазовое превращение теплоносителя, при этом тепловая энергия передается холодному приточному воздуху. В зону испарения тепловой трубы конденсат возвращается за счет капиллярных сил при установленном фитиле или под действием гравитационных сил. Основными достоинствами тепловой трубы, используемой в качестве теплопередающего элемента, являются долговечность, простота в обслуживании, бесшумность в работе и малое термическое сопротивление. Однако отсутствие серийно выпускаемых устройств и их дороговизна препятствует их широкому распространению в промышленности.

Большую группу теплоутилизаторов составляют рекуперативные теплообменные аппараты, в которых промежуточный жидкий теплоноситель не изменяет своего агрегатного состояния. В потоках приточного и вытяжного воздуха установлены газо-жидкостные теплообменные аппараты соединенные кольцевым трубопроводом. Для циркуляции промежуточного теплоносителя служит насос. В качестве промежуточного теплоносителя обычно используют водные растворы солей натрия, магния, кальция, этиленгликоля, антифриз и др. По сравнению с ранее рассмотренными устройствами данный аппарат позволяет разнести поверхности теплообмена, что в ряде случаев упрощает компоновку теплоутилизационной сис-

47

Научный журнал строительства и архитектуры

темы. Вместе с тем этому теплообменнику присущи все недостатки утилизаторов рекуперативного типа, в том числе низкая эффективность процессов теплообмена и обмерзание поверхностей в холодное время года.

Из аппаратов регенеративного типа наибольшее распространение получили теплообменники типа «Юнгстрем» [15]. Промежуточный теплоноситель этих аппаратов (насадка) выполнен в виде плоского ротора из гофрированного металла, бумаги, пластмассы и т. д. Для увеличения удельной поверхности контакта и интенсификации процесса теплообмена

вкачестве промежуточного теплоносителя применяют также кассеты с шаровой насадкой. Частота вращения ротора обеспечивается специальными электродвигателями и составляет 5—20 об/мин. Процесс теплообмена между потоком воздуха, подлежащего удалению и приточным воздухом происходит за счет насадки, перемещающейся между указанными потоками и транспортирующей тепловую энергию от одной среды к другой. Имеющийся опыт эксплуатации теплообменников этого типа выявил ряд их существенных недостатков,

втом числе громоздкость, сложность в эксплуатации, большие перетоки газов. Последнее обстоятельство позволяет использовать аппарат такого типа в помещениях с незапыленной воздушной средой.

ВРоссии и зарубежных странах в настоящее время увеличивается масштаб применения регенеративных теплообменников, в которых в качестве насадки используется дисперсный материал. Известно, что такой промежуточный теплоноситель имеет ряд достоинств, основными из которых являются [10]:

большая удельная поверхность контакта с ожижающим газом;

термостойкость насадки;

независимостьгидравлического сопротивлениянасадкиотскоростиожижающего газа;

способность твердых частиц самоочищаться ит. д.

Все это позволяет конструировать теплообменные аппараты, которые в 1,5—2 раза экономичнее рассмотренных выше. Однако вполне очевидно, что их эффективная работа связана в основном с надежнойи интенсивной циркуляцией насадки по камерам регенератора.

Способ направленного вдува газообразных теплоносителей, позволяющий совместить процессы псевдоожижения дисперсного материала и его транспортировки (циркуляции), реализован в следующей конструкции регенератора.

2. Конструкция и принцип действия регенератора. Конструкция теплообменного аппарата регенеративного типа показана на рис. 1 [14].

1 — обечайка внешняя;

2 — решетка газораспределительная; 3, 4 — нижняя и верхняя вертикальные перегородки; 5 — обечайка внутренняя;

6, 9 — отводящий и подводящий патрубки греющего газа;

7, 8 — отводящий и подводящий патрубки нагреваемого газа

Рис. 1. Теплообменный аппарат регенеративного типа

Рабочее внутреннее пространство регенератора ограничено двумя обечайками: внешней 1 и внутренней 5. Для формирования направленного потока газа на нижней части внут-

48

ренней обечайки закреплена газораспределительная решетка 2, имеющая лопатки, расположенные под углом к направлению потока газа. Материал в виде шариков или частиц иной формы находится над решеткой 2. Для предотвращения его просыпания сквозь решетку предусмотрена сетка. Материал и сетка на рис. 1 не показаны. Внутри аппарата имеются две камеры, разделенные перегородками 3. Для непрерывного движения материала служат переточные окна в перегородках, расположенных внизу. Вход и выход газообразного теплоносителя осуществляется в патрубках 6, 7, 8, 9.

Принцип работы регенеративного теплообменного аппарата заключается в следующем. Определенное давление, создаваемое входящим потоком газа, действует на материал, расположенный на решетке. Вследствие этого материал поднимается и становится псевдоожиженным. Кроме того, он совершает непрерывное кольцевое движение в камерах аппарата. Материал в ходе своего движения поочередно перемещается из «холодной» камеры в «горячую», осуществляя при этом перенос тепловой энергии от газа с большей температурой к газу с меньшей температурой. В теплое время года за счет организации в данном теплообменнике прямого или косвенного водоиспарительного охлаждения воздуха, подаваемого в помещение, он будет выполнять задачи воздухоохладителя [12, 13, 20].

3. Математическое моделирование температурных полей в регенераторе. Исполь-

зуем для составления системы дифференциальных уравнений 2 уравнения: уравнение теплового баланса и уравнение Ньютона-Рихмана. Оба уравнения будем рассматривать для элементарного объема материала, расположенного над решеткой dxdy [2, 4—8, 17,22]. Получим

где Q — значение теплового потока; ст — теплоемкость твердого материала; wт — скорость твердого материала; ε — порозность материала; ρт — плотность твердого материала; θ — температура частиц твердого материала; vy — проекция скорости ожижающего газа на ось y; ρr — плотность газа; T — температура ожижающего газа; α — межфазный коэффициент теплоотдачи; fv — удельная поверхность частиц.

Решая совместно уравнения (2), (3), получим

y cгvy г

Запишем граничное условие для T при y 0

где T' — температура газа на входе 9.

Чтобы определить поле температур ожижающего газа в области псевдоожиженного слоя (по его высоте), учитывая (5), произведем интегрирование уравнения (4). Получим

В полученном уравнении θ неизвестна. Для ее определения предварительно примем следующее допущение. Температура частиц материала в псевдоожиженном слое зависит только от x, так как в слое происходит интенсивное перемешивание всех частиц. Поэтому, решая (1) и (3) для объема hdx совместно, получим

49