Повышение эффективности теплообмена в пластинчатом рекуператоре за счет турбулизирующих пластин

Поддержание качества воздуха и комфортного микроклимата в помещениях обеспечивается системами ОВиК, однако их эксплуатация связана с большими энергозатратами, особенно в холодное время года, когда подогрев приточного воздуха может удвоить общие расходы на отопление. Одной из наиболее перспективных технологий, позволяющих существенно повысить эффективность эксплуатации зданий и снизить энергетические затраты на поддержание комфортных климатических условий, являются вентиляционные системы с рекуперацией тепла, которые позволяют возвращать тепловую энергию вытяжного воздуха обратно в помещение посредством теплообменников. Целью настоящей статьи является повышение эффективности теплообмена в системе вентиляции с рекуперацией тепла за счет модернизации конструкции путем внедрения дополнительных пластин, интенсифицирующих турбулентный режим течения теплоносителя. Для достижения цели разработана точная компьютерная модель, основанная на численном решении системы уравнений движения Рейнольдса и использовании стандартной модели турбулентности «k-ε». В рамках исследования было выявлено, что эффективность рекуперации можно повысить, добавив в установку дополнительные пластины, которые турбулизируют воздушный поток. Оптимизация конструкции рекуператора осуществлялась с помощью метода покоординатного спуска. Выявлены закономерности изменения следующих параметров: конфигурации отрывных линий, величины потерь давления, коэффициента теплоотдачи и числа Рейнольдса в зависимости от геометрических размеров пластин. Оптимальные безразмерные соотношения составляют: l/d = 7, h/d = 0,6, δ/d = 0,1. Получены выражения для расчета коэффициента теплоотдачи и потери давления при применении пластин в рекуператоре. Результаты исследования полезны для проектирования систем приточно-вытяжных установок с рекуперацией тепла.

1. Mustafa M, Cook MJ, McLeod RS, de Dear R. Re-evaluating local ventilation effectiveness guidance for single-zone naturally ventilated spaces. Building and Environment. 2025;283:113406. DOI: 10.1016/j.buildenv.2025.113406

2. Morawska L, Allen J, Bahnfleth W, Bennett B, et al. Mandating indoor air quality for public buildings if some countries lead by example, standards may increasingly become normalized. Science. 2024;383(6690):1418-1420. DOI: 10.1126/science.adl0677

3. Мансуров Р.Ш., Мансуров А.Р., Рафальская Т.А. Энергосберегающие технологии вентиляции жилых зданий с применением децентрализованных рекуператоров. В: Энерго-и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий. Сборник докладов III Всероссийской научной конференции с международным участием. 2017:142-151.

4. Kim M, Kwon S. Real-time HVAC control for utilizing demand response and renewable energy using optimization-informed supervised learning. Energy and Buildings. 2025;344:115954. DOI: 10.1016/j.enbuild.2025.115954.

5. Hameed Shaikh P, Bin Mohd Nor N, Nallagownden P, Elamvazuthi I, Ibrahim T. A review on optimized control systems for building energy and comfort management of smart sustainable buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;34:409-429. DOI: 10.1016/j.rser.2014.03.027

6. Shaikh PH, Nor NBM, Nallagownden P, Elamvazuthi I. Building Energy Management through a Distributed Fuzzy Inference System. International Journal of Engineering and Technology. 2013;5:3236-3242.

7. Баишева Л.М. Опыт эксплуатации рекуперативного теплоутилизатора в условиях Крайнего Севера. В: МАТЕРИАЛЫ XIX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов в г. Нерюнгри, с международным участием: Секции 1-5, Нерюнгри, 29–31 марта 2018 года. Нерюнгри: Изд-во Технического института (ф) СВФУ; 2018:10-13.

8. Иванова А.В., Баишева Л.М., Ноговицын И.Д. и др. Особенности использования рекуператоров в условиях резкоконтинентального климата. В: Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережения: сборник статей IV Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 60-летию Инженерно-технического института Северо-Восточного федерального университета им. М.К.Аммосова, Якутск, 27–28 октября 2016 года. Якутск: Международный центр научноисследовательских проектов; 2016:438-443.

9. Wang X, Sotokawa H, Gomyo T, Ito K. Energy saving effects of integrated implementation of a multi-layered heat exchange duct and energy recovery ventilation system. Energy and Buildings. 2025;337:115679. DOI: 10.1016/j.enbuild.2025.115679

10. Yezhov V, Semicheva N, Tyutyunov D, Burtsev A, Perepelitsa N. Version of a mathematical model of purge ventilation system with complex recuperative heat exchanger. Journal of Applied engineering science. 2021;19(1):246-251.

11. Ewa Zender–Świercz. A Review of Heat Recovery in Ventilation. Energies. 2021;14(6):1759. DOI: 10.3390/en14061759.

12. Koç A, Yağlı H, Bilgic HH, Koç Y, Özdemir A. Performance analysis of a novel organic fluid filled regenerative heat exchanger used heat recovery ventilation (OHeX-HRV) system. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2020;41:100787. DOI: 10.1016/j.seta.2020.100787.

13. Tohidi Moghadam T, Bruton K, O’Sullivan DTJ, Norton B. Energy efficient achievement of indoor air quality and thermal comfort using mechanical ventilation heat recovery and solarenergy pre-heating. Energy Conversion and Management. 2025;327:119528. DOI: 10.1016/j.enconman.2025.119528.

14. Fan Y, Kameishi K, Onishi S, Ito K. Field-based study on the energy-saving effects of CO2 demand controlled ventilation in an office with application of Energy recovery ventilators. Energy and Buildings. 2014;68(A):412-422. DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.09.043.

15. Moro A, Kwakye-Boateng P. Heat recovery analysis of a fixed plate energy recovery ventilator. Sustainable Energy. 2024;11:29. DOI: 10.1186/s40807-024-00122-2

16. Tauger VM, Minin IV, Adas VE. Calculating the optimal physical size of an industrial plate recuperator. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = Minerals and Mining Engineering. 2020;6:95–101. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-6-95-101.

17. Sayyaadi H, Mehrabipour R. Efficiency enhancement of a gas turbine cycle using an optimized tubular recuperative heat exchanger. Energy. 2012;38(1):362-375. DOI: 10.1016/j.energy.2011.11.048.

18. Bieda W, Radoń J, Herbut E. Tubular recuperator with a solar collector for recovery of heat from poultry house exhaust air. Electronic journal of polish agricultural universities. 2004;7(2).

19. Adamski M. Ventilation system with spiral recuperator. Energy and Buildings. 2010;42(5):674-677. DOI: 10.1016/j.enbuild.2009.11.005.

20. Romier A. Small gas turbine technology. Applied Thermal Engineering. 2004;24(1112):1709-1723. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2003.10.034.

21. Mahajan G, Cho H, Smith A, Thompson S.M. Experimental Analysis of Atypically Long Finned Oscillating Heat Pipe for Ventilation Waste Heat Recovery Application. Journal of Thermal Science. 2020;29:667–675. DOI: 10.1007/s11630-019-1178-5

22. Carcasci C, Winchler L. Thermodynamic Analysis of an Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery from an Aeroderivative Intercooled Gas Turbine. Energy Procedia. 2016;101:862-869. DOI: 10.1016/j.egypro.2016.11.109

23. Mardiana-Idayu A, Riffat SB. Review on heat recovery technologies for building applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012;16(2):1241-1255. DOI: 10.1016/j.rser.2011.09.023

24. Кущев Л.А., Уваров В.А., Саввин Н.Ю. и др. Интенсифицированный пластинчатый теплообменный аппарат в системах теплоснабжения ЖКХ РФ. Научный журнал строительства и архитектуры. 2021;2(62):60-69. DOI: 10.36622/VSTU.2021.62.2.004

25. FloEFD Technical Reference. Software Version 17. Mentor Graphics Corporation; 2018.

26. Румановский И.Г., Драчев К.А. Применение численных методов моделирования для создания виртуального лабораторного практикума по гидравлике. Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2021;3(62):37-44.

27. Нестеренко А.В. Основы технической термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. Учебное пособие: в 3 изданиях, №3. Москва: «Высшая школа»; 1971:460.

28. Yilmaz, M. & Comakli, O. & Yapici, Sinan & Sara, O.N (2005). Performance Evaluation Criteria for Heat Exchangers Based on First Law Analysis. Journal of Enhanced Heat Transfer. Journal of Enhanced Heat Transfer. 2005;12;121-158. DOI: 10.1615/JEnhHeatTransf.v12.i2.10.