Бєляновська Олена Анатоліївна
канд. техн. наук, доцент
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Литовченко Роман Дмитрович
студент, магістр
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Сухий Костянтин Михайлович
д-р техн. наук, професор
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Сухий Михайло Порфирович
канд. техн. наук, професор
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
Дніпро
Прокопенко Олена Михайлівна
канд. техн. наук, доцент
Національна металургійна Академія України
Дніпро
Анотація
Проведено дослідження процесів експлуатації сорбційного регенератора в системах вентиляції. Запропонований алгоритм визначення експлуатаційних характеристик сорбційного регенератора теплоти та вологи. Показана перспективність використання даного пристрою для підігрівання приточного повітря в житлових приміщеннях.
Ключеві слова: композитний сорбент, низько-потенційне тепло, сорбційний регенератор теплоти, коефіцієнт регенерації теплоти.
При вентилюванні приміщень відбувається не лише видалення відпрацьованого повітря, але й витрати теплоти, що вочевидь призводить до зростання витрат на енергоносії. Найпростішим технічним засобом зниження подібних невиправданих втрат є використання теплого повітря, яке виходить з приміщення, для нагріву приточного холодного повітря. Для цього звичайно використовують теплообмінники рекуперативного та регенеративного типів [1]. Але використання теплообмінників ускладнено наявністю значної кількості вологи в витяжному повітрі, що призводить до утворення льоду на холодному кінці теплообмінника, блокування його роботи та порушенню балансу вологи в приміщенні, так як з приміщення видаляється більше вологи, ніж вноситься, що призводить до зниження вологості в приміщенні, яке негативно впливає на самопочуття людини. Більш перспективними для підтримання необхідного рівня вологості в вентильованому приміщенні та регенерації тепла [2], що може істотно знизити енергозатрати на нагрів приточного повітря, є сорбційні регенеруючі пристрої.
Метою роботи є розробка методики розрахунку експлуатаційних характеристик сорбційного регенератора теплоти та вологи на основі композитного сорбенту «силікагель – натрій сульфат».
В роботі проаналізована робота регенераційного пристрою, конструктивне виконання якого наведено на рис., який при встановленні в вентиляційний канал підігріває холодне приточне повітря, зменшує його вологість та не позбавляє вмісту кисню в ньому.
Рис. Конструкція регенератору тепла [3]
1 – труба(корпус); 2 – вентилятор зовнішній; 3 – вентилятор внутрішній;
4 – теплоакумулюючі насадки; 5 – датчик температури; 6 – пульт управління.
Пристрій працює в двох режимах «подача» та «викид», які періодично чергуються між собою. При роботі на «викид» вентилятор 3 всмоктує повітря з приміщення і викидає його в навколишнє середовище. При цьому повітря проходить через насадки 4 і нагріває їх до температури яку потрібно підтримувати у приміщенні. При роботі в режимі «подача» вентилятор 3 вимикається, а вмикається вентилятор 2, який забирає повітря з навколишнього середовища і пропускає його через насадки 4 в кімнату. В насадках розташований сорбційний теплоакумулюючий матеріал. Проходячи крізь насадки, зовнішнє повітря нагрівається і залишає в насадках надлишок вологи, таким чином у приміщенні здійснюється вентиляція та підтримуються сталі значення температури і вологості.
В якості теплоакумулюючого матеріалу використовували «силікагель/Na2SO4» [4].
Розрахунок температури на «гарячому» та «холодному» кінцях агрегату пропонується розраховувати згідно з рівнянням теплового балансу в наступному порядку.
1) Розрахунок абсолютної вологості на виході з теплоакумулюючого пристрою С, г/м3 [5]:
де 
– тривалість процесу, с; С0 – абсолютна на вході в регенератор, кг/м3; Н – висота шару теплоакумулюючого матеріалу, м; w – швидкість повітря, м/с; а – сорбційна ємність матеріалу, кг/кг; β – коефіцієнт масопередачі, с-1, який визначено згідно залежності [6]:
де βy, βп и βпр – коефіцієнти масовіддачі в газовой фазі, в порах та повздовжнього перемішування [6].
2) Розрахунок величини адсорбції
де Vпов. – объем повітря, м3
3) Обчислення теплоти сорбції : 
.
4) Визначення теплоти десорбції:
де 
= 2850 - теплота десорбції, кДж/кг.
5) Розрахунок температури повітря в режимі «викид» пропонується розраховувати за наступною формулою:
де t1 та t2 – температури повітря на вході та виході з регенератору, ºС; 
– об’ємна витрата повітря, м3/с; 
– об’ємна теплоємність повітря, кДж/м3 • К; св – теплоємність води, кДж/кг К.
6) Розрахунок температури повітря в режимі «подача»:
де t2под – температура повітря на виході з регенератору, ºС; 
– початкова температура сорбента в режимі «подача» , ºС.
Згідно результатам проведених розрахунків встановлено, що температури повітря на вході на виході з регенератору мають періодичний характер, який відповідає зміні напрямків потоків повітря.
Встановлено, що коефіцієнт регенерації теплоти складає 56 %. Натурні випробування описаного сорбційного регенератора тепла, проведені при низькій температурі навколишнього середовища, показали, що даний пристрій допомагає підтримувати температуру в приміщенні на рівні 20 – 22 ºС, а відносну вологість - 50 – 60%.
Література
1. Доценко С. А. Энергосберегающие технологии систем вентиляции и кондиционирования воздуха // Стройпрофиль. – 2003. – № 4. – С. 54 – 56.
2. Гордеева Л.Г. Композитные материалы «соль в пористой матрице»: дизайн адсорбентов с заданными свойствами [Текст] : дис… докт. хим. наук : 02.00.04 : захищена 9.10.13 / Гордеева Людмила Геннадьевна, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук. – Новосибирск, 2013 – 347 с.
3. Прокопенко, Е. М. Сорбционный регенератор тепла для систем вентиляции [Текст] / Е. М. Прокопенко, А. О. Еремин, Е. В. Коломиец, Е. А. Беляновская, А. В. Гаврилко, К. М. Сухой // Экология и промышленность. – 2016. – № 2. – С. 19 – 23
4. Structure and Adsorption Properties of the Composites ‘Silica Gel – Sodium Sulphate’, obtained by Sol – Gel Method / Sukhyy Kostyantyn M., Belyanovskaya Elena A., Kozlov Yaroslav N., Kolomiyets Elena V., Sukhyy Mikhaylo P. // Applied Thermal Engineering. – 2014. – № 64. – С. 408 – 412
5. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / под ред. чл.-кор. АН СССР П.Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л: Химия, 1987. – 576 с.
6. Матвейкин, В.Г. Математическое моделирование и управление процессом короткоцикловой безнагревной адсорбции / В.Г. Матвейкин, В.А. Погонин, С.Б. Путин, С.А. Скворцов. – М. : «Издательство Машиностроение-1», 2007. – 140 с.
Робота виконана при підтримці Державного Фонду фундаментальних досліджень України (0116U001489).
