Исследование комбинированных систем утилизации теплоты: анализ влияния режимных параметров и геометрических характеристик на эффективность рекуперации тепла

Цель исследования. В статье приводится математическое описание процесса теплопередачи при комбинированной утилизации низкопотенциальной теплоты сбросных газов и вентиляционных выбросов в каналах многослойного пластинчатого рекуператора.

Методы. Провести сравнительный анализ критериев Эйлера на основе теории подобия в горячем канале для различных конфигураций турбулизаторов в комбинированных системах утилизации низкопотенциальной теплоты, определить, как скоростные режимы воздушных потоков влияют на коэффициент теплопередачи, а также тепловую и электрическую эффективности в процессах утилизации вторичных и возобновляемых энергоресурсов с попутной генерацией термоэлектричества.

Результаты. Установлено преимущество шахматной конфигурации цилиндрических турбулизаторов в исследуемом рекуператоре по сравнению с коридорной и реберной схемами их расположения, для чего был использован сравнительный анализ критериев Эйлера на основе теории подобия. Создана математическая модель тепловых процессов с разливным расположением цилиндрических турбулизаторов (шахматным, коридорным), в пластинчатом рекуператоре в квазистационарном тепловом режиме. Предложена методика определения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи комплексного многослойного пластинчатого рекуператора с повышенной турбулизацией теплоносителей.

Заключение. Исследование показало, что шахматная конфигурация цилиндрических турбулизаторов значительно повышает эффективность теплопередачи по сравнению с другими схемами, что делает ее предпочтительной для использования в горячих каналах пластинчатых рекуператоров систем комбинированной утилизации низкопотенциальной теплоты. Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать и оптимизировать тепловые процессы, учитывая влияние турбулизаторов. Методика определения коэффициентов теплоотдачи обеспечивает высокую точность расчетов, а сравнительный анализ критериев Эйлера на основе теории подобия подтвердил преимущество шахматной схемы. Были также определены области режимных параметров и влияния геометрических характеристик турбулизаторов на эффективность процесса рекуперации тепла, что подчеркивает важность их оптимизации.

1. Численное определение границ вихревых зон на входе в круглые отсосыраструбы над плоскостью / К. И. Логачев, А. М. Зиганшин, О. В. Тирон [и др.]. // Строительство и техногенная безопасность. 2022. № S1. С. 251–260.

2. Системы отопления при нестационарном температурном режиме на основе комбинированного теплогенератора / Ф. А. Кешвединова, А. С. Умеров, С. А. Егоров [и др.] // Строительство и техногенная безопасность. 2022. № 25(77). С. 87–90.

3. Елистратова Ю. В. Повышение эффективности пластинчатых теплообменных устройств в системах теплоснабжения. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, 2022. 182 с.

4. Интенсифицированный пластинчатый теплообменный аппарат в системах теплоснабжения ЖКХ РФ / Л. А. Кущев, В. А. Уваров, Н. Ю. Саввин, С. В. Чуйкин // Научный журнал строительства и архитектуры. 2021. № 2(62). С. 60-69. DOI 10.36622/VSTU.2021.62.2.004.

5. Исследование влияния структуры потока на коэффициент гидравлического сопротивления / Т. В. Дихтярь, О. Н. Зайцев, К. С. Дихтярь, И. П. Ангелюк // Строительство и техногенная безопасность. 2021. № 22(74). С. 129-133. DOI 10.37279/2413-18732021-22-129-133.

6. Кущев Л. А., Саввин Н. Ю. Исследования пластинчатого теплообменного аппарата с развитой поверхностью теплообмена // Автоматизация и энергосбережение в машиностроении, энергетике и на транспорте: материалы XV Международной научнотехнической конференции, Вологда, 8 декабря 2020 г. Вологда: ВоГУ, 2021. С. 130–133.

7. Саввин Н. Ю., Никулин Н. Ю. Высокоэффективный теплообменный аппарат для системы жилищно-коммунального хозяйства // Наука. Технологии. Инновации : сборник научных трудов: в 9 ч. / под ред. А. В. Гадюкиной. Новосибирск: НГШТУ, 2019. Ч. 4. С. 256–261.

8. Зайцев О. Н., Ангелюк И. П. Технико-экономическое обоснование использования системы рекуперации теплоты дымовых газов // Строительство и техногенная безопасность. 2019. № 16(68). С. 99–104.

9. Zaycev O. N., Angeluck I. P., Toporen S. S. Experimental study of the aerodynamic resistance of a conical-spiral heat exchanger of the outgoing flue gases // IOP Conference Series. Materials Science and Engineering. International Scientific Conference, Kislovodsk, 1– 5 october 2019. Vol. 698 (5). P. 055033. DOI 10.1088/1757-899X/698/5/055033.

10. Ангелюк И. П. Утилизация теплоты отходящих дымовых газов бытовых котлов // Строительство и техногенная безопасность. 2016. № 5(57). С. 32–33.

11. Разработка кожухотрубного теплообменного аппарата с измененной геометрической поверхностью / Н. Ю. Никулин, Л. А. Кущев, В. С. Семенок, Д. А. Немцев // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 3-1. С. 99–101.

12. Жилина К. В., Тютюнов Д. Н., Бурцев А. П. Один из вариантов управления системой тепло-снабжения зданий и сооружений с применением методов математического анализа // Известия Юго-Западного государственного университета. 2024. Т. 28, №2. С. 56-70. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2024-28-2-56-70.

13. Федоров С. С., Тютюнов Д. Н. Управление системой многоконтурного теплоснабжения зданий при зависимом подключении к тепловым сетям. Курск, 2017. 182 с.

14. Бурцев А. П. Экспериментальное исследование конструкции многослойного пластинчатого рекуператора в процессе утилизации теплоты вентиляционных выбросов // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2023. № 10(1070). С. 24-26.

15. Integrated Heat Recovery of Waste Gases and Ventilation Emissions in a Multilayer Plate Heat Exchanger / A. Burtsev, V. Yezhov, N. Semicheva [et al.] // Modern Problems in Construction : Selected Papers from MPC 2022, Kursk, 17–18 ноября 2022 года. Kursk: Springer Nature Switzerland AG , 2024. P. 1-8.

16. Version of a mathematical model of purge ventilation system with a complex recuperative heat exchanger / V. Ezhov, N. Semicheva, A. Burtsev [et al.] // Journal of Applied Engineering Science. 2021. Vol. 19, no 1. P. 246–251. DOI 10.5937/jaes0-30068.

17. Independant power supply source for the station of cathodic protection of pipelines against corrosion / V. S. Ezhov, N. E. Semicheva, A. Burtsev [et al.] // Journal of Applied Engineering Science. 2017. Vol. 15, no 4. P. 501–504. DOI 10.5937/jaes15-15450.

18. Experimental calculation of the main characteristics of thermoelectric EMF source for the cathodic protection station of heat supply system pipelines / V. Yezhov, N. Semicheva, A. Burtsev, N. Perepelitsa // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2021. Vol. 1259. P. 225–237. DOI 10.1007/978-3-030-57453-6_19.

19. Development of experimental designs of the integrated heater for the disposal of low-potential waste heat of ventilation emissions / V. S. Ezhov, N. S. Semicheva, A. P. Burtsev [et al.]. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Brasov, 1–2 november 2020. Vol. 789. P. 012020. DOI 10.1088/1757-899X/789/1/012020.