Моделирование режимов работы рекуператора «сбросного» тепла вытяжного воздуха

Моделирование режимов работы рекуператора

Остановимся подробнее на температурном режиме помещения, оснащенного запатентованным авторами настоящей статьи приточно-вытяжным стеновым вентиляционным устройством с рекуператором [2].

Рассмотрим условное помещение размерами 6,5 х 3 х 2,7 м. В отверстии стены толщиной 300 мм размещен вентклапанрекуператор диаметром 125 мм. Рекуператор представляет собой четыре фрагмента листа поликарбоната с квадратными отверстиями (всего 28 сквозных отверстий), объединенных общим фиксатором. Методик расчета такого рекуператора не имеется.

В этой связи было принято решение о применении современных методов и программных средств численного моделирования с решением полных трехмерных уравнений Навье-Стокса для расчетного определения критериальных параметров рекуператора и выполнения оптимизации размеров конструкции на основе решения сопряженных задач термогазодинамики ограждающих конструкций с применением программного комплекса ANSYS CFX 11.0. Для верификации разработанной модели проведен натурный эксперимент. Параллельно с его организацией и проведением для отладки методики расчетов, проверки принципиальной возможности численного моделирования подобных задач для реальных помещений, а также оценки необходимых компьютерных ресурсов была решена предварительная тестовая задача.

Схема помещения для расчетной модели показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема помещения для расчетной модели

Для уменьшения расчетного времени модели рекуператора рассматривалась половина помещения с наложением необходимых граничных условий симметрии. Ось Х направлена в помещение, Z – вертикально вверх.

Сетка, являющаяся совокупностью точек, заданных в области определения функции, генерировалась макросом (файлкомандой для создания расчетной модели, выраженной через переменные) параметрически. Была определена минимально допустимая степень подробности сетки, так что для более мелкой сетки результаты изменялись незначительно. Размер модели составил около 600 тысяч ячеек (преимущественно шестигранных). Особое внимание пришлось уделить разбиению тонких стенок и мест больших градиентов теплофизических свойств. На «входе» в расчетную область потоку указываются нулевые дополнительные давления («мягкие» граничные условия Opening, свободный вход-выход) с постоянной температурой 0 °C. Внутри помещения температура постоянная +20 °C, тип среды – идеальный воздух при давлении 1 атм.

Для повышения точности моделирования процессов теплопередачи реальных стен введены их толщины с наложением условий симметрии, выражающих работу данной модели как фрагмента реального здания (с повторяющимися помещениями).

Макросом APDL, являющегося файл-командой параметрического языка программирования ANSYS (ANSYS Parametric Design Language) для создания расчетной модели и автоматизированного ее решения, генерировался текстовый файл для расчета CFX (*.CCL). CFX (*.CCL) – метод конечных объемов, являющийся наиболее активно развивающимся для решения задач аэрогидромеханики, включающим в себя необходимые граничные условия, параметры и опции. Рассматривалась аппроксимация в пределах не конечных элементов постоянного объема,а неких зон переменного размера с гибко изменяющимся числом точек интегрирования.

Расчеты проводились с использованием модели турбулентности SST (переноса сдвиговых напряжений, эффективно сочетающей устойчивость и точность стандартной модели турбулентности с учетом удельной скорости диссипации энергии) вплоть до достижения невязок 10–4.
Были подобраны оптимальные параметры релаксации для данной задачи, обеспечивающие практическую сходимость через 40–60 итераций.

Основные результаты численного моделирования приведены на рис. 2–7.

Рис. 2. Поля температур в ограждающей стене на плоскости симметрии модели рекуператора

Рис. 3. Поля температур в перекрытиях в горизонтальном сечении в плоскости рекуператора

На рис. 2 и 3 изображены температурные поля в ограждающей стене и перекрытиях на плоскости симметрии модели. Видно, что пол охлаждается интенсивнее по мере приближения к стене. Холодный наружный воздух через отверстие рекуператора охлаждает нижнюю часть помещения.

Холодный воздух на входе в рекуператор имеет более высокую скорость, чем теплый, вследствие действующей на него силы тяжести.

Скорости холодного воздуха малы, порядка 0,25–0,98 м/с, так как задача решалась только для случая естественной конвекции. Движение воздуха происходит за счет разности температур внутри и снаружи помещения.
Следует обратить внимание, что в данном случае показательным значением является скорость в направлении нормали стены, что в условиях расчетной модели соответствует х-компоненте вектора скорости.

Отметим также, что область наибольших скоростей потоков располагается в нижней центральной части трубы рекуператора. Вследствие чего объем приточного холодного воздуха больше объема удаляемого внутреннего, что можно видеть на рис. 4, где показаны линии тока в плоскости симметрии модели рекуператора.

Рис. 4. Поля температур в трубках рекуператора и линии тока для частиц воздуха в плоскости симметрии стены

Как видно, холодный воздух при попадании в помещение нагревается, но остается достаточно холодным относительно внутреннего воздуха и опускается вниз.

Рис. 5. Поля температур в трубках рекуператора

На рис. 5 показано распределение температур по конструкции рекуператора, характер которого соответствует распределению температуры воздуха в рекуператоре, которое изображено на рис. 6.

Рис. 6. Поля температур воздуха в рекуператоре в вертикальной плоскости

Заметим, что данные температурные поля сохраняют все вышеперечисленные особен- ности. Холодный воздух поступает в помещение через нижнюю часть рекуператора, прогреваясь до +8,4 °C, внутренний воздух удаляется через верхнюю часть.

Рис. 7. Рассчитанные коэффициенты теплопередачи (Вт/м2·К) для рекуператора и помещения

На рис. 7 приведены рассчитанные коэффициенты теплопередачи (Вт/м2·К) для рекуператора и помещения.

Таким образом, с использованием современных численных методов гидрогазодинамики, реализованных в программном комплексе ANSYS CFX 12.0, на верифицированных трехмерных моделях проведены тестовые расчеты рекуператора для реального помещения в стационарной постановке. Разработанная методика численного моделирования реализована в форме библиотеки подпрограмм для вариантных расчетов и обработки результатов. Расчеты могут быть выполнены в нестационарной постановке. Определены оптимальные подробность сетки и параметры и опции итерационного процесса. Результаты численных экспериментов, представленные на рис. 2–7, свидетельствуют о работоспособности разработанного рекуператора.

Экспериментальная оценка работоспособности рекуператора

Для экспериментальной оценки работоспособности разработанного стенового приточновытяжного вентиляционного клапана-рекуператора были изготовлены два макетных образца клапана с различной конструкцией рекуператоров, в которых нагреваемый и греющий воздух движутся в противоположных направлениях. Теплый воздух помещения с помощью вентилятора прогонялся через систему трубок, располагаемых в круглом канале (трубе диаметром 125 мм), через которую поступал холодный воздух из 3-кубовой климатической камеры типа «IEKA». Холодный воздух из климатической камеры заставлял поступать в трубу другой вентилятор, располагаемый в специальном технологическом отверстии одной из стенок камеры.

Рис. 8. Элементы конструкции испытанных приточных клапанов:
а – конструкция «трубчатого» рекуператора;
б – конструкция «пластинчатого» рекуператора

Элементы конструкции испытанных приточных вентиляционных клапанов показаны на рис. 8. Конструкция одного из теплообменных аппаратов отличалась от другого тем, что систему трубок в одном образовали четыре пластины из «сотового» поликарбоната толщиной 8 мм каждая (рис. 8 б), а в другом 230 полимерных трубок диаметром 5 мм (рис. 8 а). Трубки в конструкциях объединялись с помощью коллектора, к которому присоединялся вентилятор. Наружный диаметр коллектора, направляющего теплый воздух в трубке, был равен 120 мм. Вход холодного воздуха происходил между трубой и коллектором рекуператора, где и осуществлялся нагрев и дальнейшая подача воздуха в вентилируемое помещение. Для исключения перемешивания холодного и теплого воздуха в клапане конструктивно потоки приточного и вытяжного воздуха разделены, а распределение воздуха на выходе происходит с помощью анемостата.

Рис. 9. Тепловизионные снимки клапана с «трубчатым» рекуператором при двух режимах работы вспомогательного вентилятора: а – режим работы с приточным вентилятором с производительностью 100 м3/ч; б – без приточного вентилятора

На рис. 9 показаны тепловизионные снимки режимов работы клапана с «трубчатым» рекуператором, а на рис. 10 – тепловизионные снимки режимов работы клапана с «пластинчатым» рекуператором при тех же режимах.

Рис. 10. Тепловизионные снимки двух режимов работы клапана с «пластинчатым» рекуператором:
а – режим работы с приточным вентилятором с производительностью 100 м3/ч;
б – без приточного вентилятора

Заключение

Проведенные численные и лабораторные исследования эффективности стенового приточно-вытяжного клапана с рекуператором тепла подтвердили его работоспособность и показали, что при работе приточновытяжного клапана наблюдается явный положительный эффект.
Градиент температур между входящими и уходящими потоками составил +3 °C при расходе 15 м3/ч и среднем перепаде температур между приточным и вытяжным воздухом +20 °C, что обеспечивает примерно 15 % утилизацию. В дальнейшем можно ожидать увеличения этого параметра до 40–50 %.

Литература
1. ТР АВОК–4–2004. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. М., 2008.