3241

помощью термоанемометра 8 типа ТТМ-2/4-06. Его первичный преобразователь ТТМ-2-04 размещён в канале воздуховода 5. Расход воздуха определяется через уравнение неразрывности потока (постоянства расхода). Выход воздуха из аппарата осуществляется через воздуховод 6. Гидравлическое сопротивление аппарата фиксируется с помощью цифрового дифференциального микроманометра 10 типа ДМЦ-01М. Точки отбора давления показаны на рис. 1.

В качестве газораспределительного устройства 9 в аппарате применяется жалюзийная решётка, являющаяся упрощённым аналогом радиально-щелевой решётки, описанной в [3]. Её схема приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема газораспределительной решётки:

1 – лопатки; 2 – центральная часть; 3 – периферийная часть; 4 – крепёжные отверстия

Решётка изготовлена из листового металла в виде сплошного диска, в котором выполнены лопатки 1, соединяющие периферийную часть диска 3 с его центральной частью 2. На периферийной части 3 выполнены отверстия 4 для крепления решётки к аппарату. Решётка имеет 32 лопатки. Её геометрические

штамповки, и накрыта металлической сеткой, предназначенной для

50

предотвращения провала частиц дисперсного материала и обеспечения более равномерного псевдоожижения дисперсного материала. Общий вид решётки представлен на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид газораспределительной решётки (вид снизу)

Эксперименты проводились в два этапа. На первом этапе были определены потери давления Pг , Па на газораспределительной

решётке для разных значений расхода воздуха Gв , кг/с (рис. 4).

Рис. 4. Потери давления на газораспределительной решётке

51

Из данного рисунка видно, что увеличение расхода воздуха приводит к увеличению гидравлического сопротивления аппарата по степенному закону. При этом величина потерь давления при максимальном расходе незначительна.

На втором этапе были определены суммарные потери давленияP , Па газораспределительной решётки и псевдоожиженного слоя для разных значений расхода воздуха Gв , кг/с и массы дисперсного

материала в рабочей камере , кг. В качестве дисперсного материала применялся сухой силикагель со средним эквивалентным

1,0; 1,2 1,4; 1,6; 1,8 кг. Результаты данной серии экспериментов представлены на рис. 5.

Рис. 5. Суммарное гидравлическое сопротивление газораспределительной решётки и псевдоожиженного слоя: 1 – = 0,6 кг; 2 – = 0,8 кг; 3 – = 1,0 кг; 4 – = 1,2 кг; 5 – = 1,4 кг; 6 – = 1,6 кг; 7 – = 1,8 кг

Из данного рисунка видно, что увеличение расхода воздуха и массы дисперсного материала в рабочей камере приводит к увеличению гидравлического сопротивления аппарата. При

52

полученных графиках можно выделить излом, соответствующий этапу начала вибрации частиц материала, при которой также происходит перемещение некоторых частиц из глубины слоя к его

Помимо гидравлического сопротивления в экспериментах фиксировалось изменение высоты слоя дисперсного материала H , м в зависимости от расхода воздуха и массы силикагеля в рабочей камере (рис. 6).

Рис. 6. Высота слоя дисперсного материала:

1 – M = 0,6 кг; 2 – M = 0,8 кг; 3 – M = 1,0 кг; 4 – M = 1,2 кг;

5 – M = 1,4 кг; 6 – M = 1,6 кг; 7 – M = 1,8 кг

Из данного рисунка видно, что до значения Gв = 0,1 кг/с высота слоя силикагеля не изменяется, т.е. слой остаётся плотным. При

53

дальнейшем увеличении расхода воздуха наблюдается расширение слоя. При этом стабильный центробежный псевдоожиженный слой формируется при расходе Gв = 0,17…0,19 кг/с, в зависимости от

массы материала.

На основании проведённых исследований можно сделать вывод, что гидравлическое сопротивление, как газораспределительного устройства, так и самого аппарата в рабочем состоянии незначительно. Это подтверждает результаты экспериментальных исследований других конструкций сушильных аппаратов с центробежным псевдоожиженным слоем [4, 5].

Литература

1.Бараков А.В. Экспериментальное исследование гидродинамики жалюзийных решёток / А.В. Бараков, Ю.Н. Агапов, А.В. Борисов // Известия вузов. Энергетика. – 1982. – № 2. – С. 99101.

2.Агапов Ю.Н. Влияние высоты псевдоожиженного слоя на параметры газораспределительной решётки / Ю.Н. Агапов, В.И. Лукьяненко, А.П. Бырдин, В.Г. Стогней // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2006. – Т. 2. – № 6. – С. 139143.

3.Каганович Ю.Я. Промышленное обезвоживание в кипящем слое / Ю.Я. Каганович. – Л.: Химия, 1990. – 144 с.

4.Агапов Д.Ю. Экспериментальное сравнение газораспределительных устройств для формирования центробежного слоя / Д.Ю. Агапов, А.А. Надеев, К.Н. Родионов, В.Г. Стогней, И.Ю. Клейников // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2012. – Т. 8. – № 7.1.

–С. 118-121.

5.Надеев А.А. Экспериментальные исследования аэродинамики установки для сушки сыпучих материалов в центробежном псевдоожиженном слое / А.А. Надеев, Ю.Н. Агапов, В.Г. Стогней // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2009. – Т. 5. – № 5. – С. 76-78.

54

УДК 697.27

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА В СИСТЕМЕ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ

А.Е. Мельникова1, С.В. Дахин2

1Магистр, ann93.11@mail.ru

2Канд. техн. наук, доцент, svdakhin@ya.ru ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Аннотация: на примере мини-отеля показано, что применение современных воздушных тепловых насосов для отопления может дать существенную экономию энергии, особенно при отсутствии централизованного газоснабжения и лимитирования электрической мощности

Ключевые слова: тепловой насос, воздушное отопление, энергосбережение

Из-за особенностей климата, Россия обладает самыми обширными территориями некомфортного климатического проживания. Отсюда возникает необходимость затрачивать существенные энергетические ресурсы на отопление помещений различного назначения.

Поэтому, в условиях постоянного удорожания энергетических ресурсов, существует настоятельная необходимость в экономии энергии. При этом, любое техническое решение, реально позволяющее получать энергосберегающий эффект является крайне актуальным.

Одним из подобных технических решений, на наш взгляд, является применение тепловых насосов в системах вентиляции (воздушное отопление) и кондиционирования. В последнее десятилетие, из-за роста цен на энергоносители и появления на мировом рынке новых высокоэффективных устройств, интерес к таким технологиям вырос существенно.

Несмотря на то, что идея теплового насоса была сформулирована ещё в 1852 году, массовая потребность в них возникла в 70-х годах прошлого века, когда энергетический кризис особенно обострил вопросы энергосбережения.

Наиболее предпочтительным источником низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов является наружный воздух в силу общедоступности и, соответственно, будучи совершенно

55

бесплатным. Однако, воздушные тепловые насосы обеспечивают сезонную нагрузку в среднем на 10…30 % ниже чем работающие на теплоте воды или грунта [1].

Собственно идея применения теплового насоса для отопления не нова. Так в [2] приведён расчёт и методика энергетического сопоставления двух альтернативных тепло- и хладофикационных систем - теплонасосной и от районной отопительной котельной с использованием холодильной машины для летнего кондиционирования воздуха.

Источником теплоты низкого потенциала принималась артезианская вода с температурой 15 °C. Рабочее вещество теплового насоса - фреон R12. При этом тепловой насос полностью обеспечивает тепловую мощность до температуры наружного воздуха минус 1 °C. При меньшей температуре воздуха мощность теплового насоса снижается и её недостаток покрывается за счёт пиковой водогрейной котельной.

Современные сплит-системы, оборудованные инверторами и работающие на хладагенте R410А, могут работать на обогрев до температуры воздуха минус 20 °C и обеспечивать необходимую единичную мощность [3].

Вкачестве объекта исследования рассмотрим трёхэтажный мини-отель с мансардой в г. Рязани. В отеле десять двухместных номеров [4].

Для удаления отработанного воздуха из номеров отеля используется центральный кондиционер, в котором происходит нагревание, охлаждение и, при необходимости, увлажнение воздуха, прежде чем его подавать в помещение. В холодный период года воздух нагревается и увлажняется, в тёплый период – охлаждается и осушается.

Приняты следующие исходные данные.

Вхолодный период наружная расчётная температура воздуха минус 27 °C, его влажность 84 %. В тёплый период, соответственно

26 °C и 54 %.

Вентиляцию и кондиционирование рассматриваем только для жилых помещений, исключая гостиные, столовые и холлы. Считаем для них своя система общеобменной вентиляции. Полагаем, что для обеспечения удаления отработанного воздуха из десяти двухместных номеров, потребуется один центральный кондиционер.

56

Температура воздуха в жилых комнатах в тёплый период - 20 °C в холодный период – 18 °C.

Кратность воздухообмена на одного человека для комфортного пребывания в номере принимается 60 м3/ч, тогда для десяти номеров расчётный расход воздуха составит 1400 м3/ч.

Так как в месте расположения мини-отеля отсутствует централизованное тепло- и газоснабжение, то для нагрева воздуха можно использовать только электрический нагреватель.

Проведём сравнение трёх вариантов работы системы отопления: - вариант 1 - установка с секцией электронагрева, фреоновым

охладителем, вентилятором и фильтрами (рис. 1);

Рис. 1. Установка по варианту 1

-вариант 2 - совместная работа электрокалорифера и теплового насоса, в данном случае схема установки аналогична рис. 1, только фреоновый охладитель работает как воздушный тепловой насос;

-вариант 3 - совместная работа пластинчатого рекуператора и теплового насоса (рис. 2).

Рис. 2. Установка по варианту 3

57

58

Рис.3. Затраты электроэнергии на нагревание приточного воздуха 1 - вариант 1; вариант 2; 3 - вариант 3

Результаты исследования работы теплового насоса в системе вентиляции и кондиционирования представлены на рис. 3. Проведённые расчёты показали, что применение воздушного теплового насоса в качестве источника теплоты для отопления экономически оправдано, для всех рассматриваемых вариантов получен экономический эффект при сравнении с вариантом 1, т.е. при отоплении только за счёт электрокалорифера:

-по варианту 2 (электрокалорифер + тепловой насос) - экономия 35940,80 кВт·ч или (при тарифе 3,22 р/(кВт·ч)) 115729,38 р/год;

-по варианту 3 (пластинчатый рекуператор + электрокалорифер

+тепловой насос) - экономия 52782,5 кВт·ч или 169959,65 р/год. Основным недостатком использования теплового насоса можно

считать ограничение по минимальной наружной температуре окружающего воздуха, при которой данное оборудование использовать не получится (как правило, ниже минус 20…25 °C).

Таким образом, использование теплонасосного оборудования в системах вентиляции и кондиционирования является энергосберегающим мероприятием, позволяющим сэкономить финансовые средства при обеспечении комфортных условий в помещениях.

Литература

1.Горшков, В.Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор. / В.Г. Горшков // Справочник промышленного оборудования. – 2004. –

№2. – С. 47-80.

2.Тепловые и конструктивные расчёты холодильных машин: учеб. пособие для вузов по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки» / Е.М. Бамбушек, Н.Н. Бухарин, Е.Д. Герасимов и др.; Под общ. ред. И.А. Сакуна. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. – 423 с.

3.Воздушные тепловые насосы // М.: Издательский центр "Аква-Терм". – 2012. – 126 с.

4.Мельникова А. Е. Исследование работы теплового насоса в системе кондиционирования и вентиляции: магистерская диссертация / А. Е. Мельникова; рук. работы С. В. Дахин. – Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2019. – 53 с.

59