Low-Temperature Evaporative Air Coolers. Development and Analysis of Opportunities

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Размер: px
Начинать показ со страницы:

Download "Low-Temperature Evaporative Air Coolers. Development and Analysis of Opportunities"

Транскрипт

1 Lw-Temerature Evarative Air Cers. Devement and Anaysis f Ortunities Drshenk A.V., Antnva A.R., Khaak V.F., Gncharenk A.S. Educatina and Research Institute f Refrieratin, Сritehny and Ec-Eneretics Odessa Natina Academy f Fd Technies, Ukraine Abstract. The urse f the study is t deve and cnduct a cyce f theretica and eerimenta studies f w-temerature evarative air cers. The deveed circuit sutins f the cers ensure the reductin f the evarative cin imit frm the temerature f the wet thermmeter t the dew int temerature f the incmin air fw. The anaysis f the fundamenta caabiities f w-temerature air cers are made takin int accunt mdern sutins (atents) and ubicatins in eadin frein scientific jurnas. The scientific nvety f the research cnsists in anayzin f the state f the air fw within the nzze f the evarative cer. The authrs cnducted studies takin int accunt the daner f recndensatin f the rcesses f jint heat and mass transfer in an indirect tye evarative air cer - a chier, which rvides an rtunity t anayze the state f the main and auiiary air fws in the evarative air cer deendin n the rati f as and iquid fws and initia arameters (temerature and misture cntent) f the eterna air. A series f eerimenta studies f hydrdynamic rcesses and jint heat and mass transfer is deveed. The a f reducin the imit f evarative cin had been achieved by usin f air cers - chiers ensures the achievement f cmfrt arameters f air in an air cnditinin system withut usin traditina var cmressin techny. This a had been achieved by usin a rtin f chied water t re-c the incmin air stream with its cnstant misture cntent. Keywrds: w-temerature air cers, heat and mass echane equiment, evarative cin, cin imits, rcess efficiency. DOI:.58/zend.367 Răcitare de aer cu temeratura scăzută de evarare Drshenk A.V., Antnva A.R., Ivanva L.V., Gncharenk V.A. Institutu de Fri, Crytehnie și Ecenerie Academia Naținaă de Tehnii Aimentare din Odesa, Ucraina Rezumat. Scu ucrării cnstă în dezvtarea și efectuarea cercetărir teretice și eerimentae ae răcitarer de aer cu temeratură scăzută de evarare. Aceasta asiură reducerea imitei de răcire rin evarare de a temeratura termmetruui umed ână a temeratura unctuui de ruă a fuuui aeruui intrare. Nutatea științifică cnstă în anaizarea mdificării stării debituui de aer în duza răcitruui evaratr rin simuarea rceser cmune de transfer de masă și cădură în evaratru răcitr. Aceasta feră rtunitatea anaizei fuurir rincia și auiiar în răcitru de aer în funcție de rartu fuurir de az și ichid și varie arametrir inițiai (temeartură și umeditate) a aeruui eterir. Cercetărie eerimentae ae rceser hidrdinamice și transferuui cmun de cădură și masă au ermis studierea stabiității și determinarea "întârzierii" fuiduui în stratu de duză, care ermite estimarea umectabiitâții reae a surafeței stratuui duzei, ce este farte imrtant entru rmvarea structurir muti-canaede de duze din materiae imerice. S-au anaizat caracteristicie de bază ae răcitarer de aer cu temeratură jasă -ciere, incuzând rifunzimea de răcire reaizabiă a debituui de aer și radu de ariere a temeraturii fuuui rincia de aer către temeratura unctuui de ruă a aeruui eterir, recum și ericu de "reccndensare" în fuu auiiar de aer din stratu de duze a răcitruui de aer a temeratură jasă. Reducerea imitei de răcire rin evarare urmare a utiizării de ni suții etinde zna de utiizare ractică a metder de răcire rin evarare. utiizarea răcitarer de aer - ciere asiură atinerea arametrir de cnfrt a aeruui fără utiizarea tehniei tradiținae de cmresie a varir. Cuvinte-cheie: răcitare de aer cu temeratură jasă, echiamente de schimb de cădură și masă, răcire rin evarare, imite de răcire, eficiența rcesuui. Низкотемпературные испарительные воздухоохладители. Разработка и анализ возможностей Дорошенко А.., Антонова А.Р., Халак.Ф., Гончаренко А.C. Институт холода, криотехнологий и экоэнергетики Одесская национальная академия пищевых технологий, Украина Аннотация. Цель исследования состоит в разработке и проведении цикла теоретических и экспериментальных исследований низкотемпературных испарительных воздухоохладителей. Дорошенко А.., Антонова А.Р., Халак.Ф., Гончаренко А.C., 8 4

2 Разработанные схемные решения обеспечивают снижение предела испарительного охлаждения от температуры мокрого термометра до температуры точки росы поступающего воздушного потока. Анализ принципиальных возможностей низкотемпературных воздухоохладителей выполнены с учетом современных решений (патентов) и публикаций в ведущих зарубежных научных изданиях. Научная новизна исследования состоит в анализе состояния основного и вспомогательного воздушных потоков в испарительном воздухоохладителе в зависимости от соотношения потоков газа и жидкости и начальных параметров (температуры и влагосодержания) наружного воздуха. ыполнен цикл экспериментальных исследований процессов гидроаэродинамики и совместного тепломассообмена в низкотемпературных воздухоохладителях, включая проблему устойчивости и определение величины «задержки» жидкости в насадочном слое, которая позволяет определить реальную смоченность поверхности насадочного слоя, что принципиально важно при переходе на многоканальные насадочные структуры из полимерных материалов. На основе полученных результатов выполнен анализ принципиальных возможностей низкотемпературных воздухоохладителей чиллеров, включая достигаемую глубину охлаждения воздушных потоков и степень приближения температуры основного воздушного потока к температуре точки росы наружного воздуха, а также опасность «реконденсации» во вспомогательном воздушном потоке при его полном насыщении еще до выхода из насадочного слоя низкотемпературного воздухоохладителя. Поставленная цель снижения предела испарительного охлаждения позволяет расширить область практического использования методов испарительного охлаждения, например, использование воздухоохладителей - чиллеров обеспечивает достижение параметров комфортности воздуха в системе кондиционирования без привлечения традиционной парокомпрессионной техники. Эта цель достигается путем использования части охлажденной воды для предварительного охлаждения поступающего воздушного потока при его неизменном влагосодержании. Ключевые слова: низкотемпературные воздухоохладители, тепло-массообменная аппаратура, испарительное охлаждение, пределы охлаждения, эффективность процесса. СОКРАЩЕНИЯ СК (SCA) система кондиционирования воздуха ТМА тепломассообменный аппарат ГРД (CTW) градирня ПИО (DEC) испарительный воздухоохладитель прямого типа НИОг (IEC) испарительный воздухоохладитель непрямого типа НИО-Rг (Ch) низкотемпературный воздухоохладитель (воздушный чиллер) П, О и (F, P, S) полный основной и вспомогательный воздушные потоки (fu, rimary, secndary air fw) Т/О теплообменник ж () жидкость (вода) м (w) мокрый (wet) г () газ-воздух пл (f) жидкостная пленка t, t м, t ж, h температура воздуха по сухому и мокрому термометрам, (dry- and wetbub air temerature), температура воды, энтальпия х, г/кг влагосодержание Н (OA) наружный воздух (utdr air) выбрасываемый в среду воздух ЕДЕНИЕ Практический интерес к возможностям испарительных охладителей (ИО) газов и жидкостей непрерывно растет, о чем свидетельствуют публикации в ведущих мировых научных изданиях. Особый интерес вызывают ИО непрямого типа со сниженным пределом охлаждения [-, 3-]. Разработанные решения охватывают нужды энергетики, традиционного и альтернативного типов, химической и пищевой промышленности и позволяют решать задачи охлаждения, не прибегая к традиционной парокомпрессионной технике. Это позволяет также существенно улучшить их эко-энергетические показатели []. 4

3 I. ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ОЗДУХООХ- ЛАДИТЕЛИ НЕПРЯМОГО ТИПА СО СНИЖЕННЫМ ПРЕДЕЛОМ ОХЛАЖДЕНИЯ. ОСНОНЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ (рис. ) испарительном воздухоохладителе непрямого типа НИОг (рис. А и ), получившем наибольшее распространение в последние годы [-], полный воздушный поток (П), поступающий на охлаждение, делится на две части. спомогательный поток воздуха () поступает в «мокрую» часть охладителя, где контактирует с водяной пленкой, стекающей по поверхностям канала и обеспечивает испарительное охлаждение воды, которая, в свою очередь, охлаждает бесконтактно, через разделяющую стенку, основной воздушный поток (О). Этот «продуктовый» поток воздуха охлаждается при неизменном влагосодержании, что обеспечивает преимущества при создании на основе НИО систем кондиционирования воздуха ССК). спомогательный воздушный поток выносит все тепло из НИО в «связанном» виде, его температура также понижается и влагосодержание возрастает. Температура воды, рециркулирующей в цикле, сохраняет неизменное значение и оказывается на несколько градусов выше температуры мокрого термометра, поступающего в НИО воздуха. Эта температура зависит от соотношения воздушных потоков в НИО, основного и вспомогательного, и является пределом охлаждения для обоих воздушных потоков. Испарительные воздухоохладители могут быть обычного (НИО, рис. А и ) и регенеративного типов (рис. и Г, НИО-Rг) [3-], отличаясь местом разделения воздушного потока, поступающего в охладитель. о втором случае обеспечивается более глубокое охлаждение воздуха, поскольку здесь процесс испарительного охлаждения воды в «мокрой» части аппарата ориентирован на температуру мокрого термометра воздуха, уже прошедшего охлаждение в «сухой» части охладителя и пределом охлаждения, в принципе, является температура точки росы наружного воздуха. Такая схема предпочтительна для глубокого охлаждения сред, но характеризуется и более высоким уровнем энергозатрат. Обстоятельному изучению возможностей охладителя регенеративного типа НИО-Rг посвящены исследования [, 9-]. Принцип устройства и образования моноблока НИО-Rг полностью идентичен рассмотренному выше для НИОг, с той разницей, что разделение полного воздушного потока (П) происходит не на входе в моноблок, а на выходе, так что полный воздушный поток предварительно охлаждается в «сухой» части аппарата, что повышает потенциал последующего испарительного охлаждения от ступени к ступени аппарата. Насадка НИО составлена из «сухого» () и «мокрого» () элементов (многоканальных плит), каналы в которых имеют взаимно перпендикулярные направления. «Мокрая» часть насадки НИО комплектуется водораспределителем и водосборником. Поскольку вспомогательный воздушный поток покидает аппарат достаточно холодным (его температура практически равна температуре основного продуктового воздушного потока, а основную часть тепла он выносит из системы в «связанном» виде), целесообразно использование этого потенциала для предварительного охлаждения, например, поступающего в НИО полного воздушного потока. «Мокрые» каналы насадки, предназначенные для непосредственного взаимодействия вспомогательного воздушного потока и рециркулирующей воды, имеют сложную форму, обеспечивающую хорошее распределение жидкости (включая задержку жидкости, которая обеспечивает реальную поверхность тепломассообмена в аппарате), стекающей по поверхности элементов насадки. опрос о качестве распределения жидкости по поверхности насадочных элементов принципиально важен, особенно в случае использования полимерных материалов для конструирования насадки. Здесь может использоваться либо сложно профилированный тип канала, либо регулярная шероховатость поверхности насадочных элементов [-]. Схема контактирования по воздушным потокам поперечноточная, и, в «мокрой» части, по воде и вспомогательному воздушному потоку, противоточная. еличина эквивалентного диаметра каналов одинакова для «сухой» и «мокрой» частей насадки, и, в зависимости от решаемой задачи, в среднем составляет: d e 5 мм; параметр регулярной шероховатости поверхности (РШ) 43

4 k / e 4 (где шаг, а e высота выступа регулярной шероховатости поверхности РШ) [-]. II. МОДЕЛИРОАНИЕ ПРОЦЕССО СОМЕСТНОГО ТЕПЛОМАССОО- МЕНА ИСПАРИТЕЛЬНОМ ОЗДУХООХЛАДИТЕЛЕ НЕПРЯМОГО ТИПА (рис. -3) Процессы совместного тепломассообмена в испарительных охладителях Процесс адиабатического охлаждения воздуха в испарительном охладителе прямого типа (ПИО, DEC) протекает при неизменном значении энтальпии воздушного потока, при этом температура рециркулирующей через насадку ТМА воды оказывается неизменной и равной температуре мокрого термометра входящего в аппарат воздуха. Политропический процесс испарительного охлаждения воды в градирне (ГРД, CTW) определяется процессом диффузии водяных паров в воздух, при этом «явное» тепло может иметь различное направление переноса и составляет незначительную часть переносимого в системе теплового потока. Пределом испарительного охлаждения здесь является температура мокрого термометра поступающего в ИО воздушного потока. Рассмотрим процессы совместного тепломасcообмена при испарительном охлаждении сред на примере прямого испарительного охлаждении воды. Результирующее снижение ее температуры достигается совместным действием следующих процессов: ) теплоотдачей соприкосновением (перенос теплоты путем теплопроводности и конвекции); ) теплообмен излучением; 3) поверхностным испарением воды в поток воздуха (диффузия водяных паров в воздухе). Преобладающую роль здесь играет поверхностное испарение (7-8% теплоты, отдаваемой водой). Суммарное количество теплоты, отдаваемой водой (рис. 3): dq случае, когда dq dq () t t величина dq входит в уравнение () с обратным знаком. Количество явной теплоты, отдаваемой водой воздуху, выразится уравнением: dq ( t t ) df () При этом полагают, что t = t *, где t * температура поверхности жидкостной пленки, т.е. отсутствует градиент температур по глубине водяной пленки и ее термическое сопротивление равно нулю: R =. работах [-] было показано, что в общем случае, для политропического процесса и R R R R. Скорость перехода молекул пара из прилегающего парогазового слоя в поток воздуха пропорциональна разности ( * n n ), где р n - парциальное давление водяного пара в воздухе на значительном удалении от поверхности воды (в ядре воздушного потока). Количество испарившейся жидкости: где d ( * n n) df (3), р коэффициент массоотдачи, отнесенный к полной разности парциальных давлений водяного пара, кг/(м с). Количество теплоты, затраченное на испарение: dq r d r ( * df (4) n n) Поверхностное испарение может * проходить лишь в том случае, когда n. n Суммарно переносимое количество теплоты: dq ( t t ) df r ( * n n) df (5) Mickey H.S., Merke F. предложили использовать в качестве движущей силы процесса переноса массы вместо разности парциальных давлений разность влагосодержаний ). dq ( * ( t t ) df r ( * df (6) Здесь полагаем, что ) F F F. Это важное обстоятельство обычно игнорируется, но для насадок плотной многоканальной структуры это вовсе не так, и отличие в соотношении поверхностей тепло- и массопереноса, как это было показано в работе -, 3 применительно к насадкам из полимерных материалов, оказывается значительным. 44

5 dq ( t t ) r ( * ) df, * где: e c (7) / h Для системы вода-воздух отношение коэффициентов тепло- и массоотдачи является величиной постоянной. Это является выражением аналогии процессов тепломассопереноса, протекающих в динамическом поле температур и влагосодержаний. На самом деле, наличие аналогии, выражаемое эмпирическим соотношением Льюиса (e), зависит от реальности протекающих процессов в системе, от соотношения поверхностей теплои массопереноса, и не распространяется на ситуацию насыщенного влажного воздуха, когда в районе равновесной кривой могут иметь место процессы «реконденсации». Пренебрегая зависимостью r от температуры, находим: * dq c ( t t ) r ( df (8), где ) dq K ( h * h df (9), h ) K h общий коэффициент тепломассопереноса (коэффициент переноса «суммарного тепла и массы» в системе, по принятому в англоязычной литературе определению), отнесенный к разности энтальпий. Он выражает интенсивность процесса тепломасообмена, обусловленного совместными механизмами конвекции и диффузии. Абсолютные величины коэффициентов равны: х К. Уравнение h (9) это основное уравнение метода «энтальпийного потенциала». Оно позволяет существенно упростить расчет процессов тепломассообмена, поскольку вместо двух движущих сил используется одна энтальпийный напор, вместо коэффициентов переноса и один К h. Для случая, когда учитывается термическое сопротивление жидкостной пленки, то есть R, уравнение (9) запишется: dq ( h h df, h ) при где h, h * t t значение энтальпии воздуха и %. Анализ процессов совместного тепло- и массопереноса при прямом контактировании газа и жидкости был выполнен с учетом следующих упрощающих предпосылок: а) Допущение о постоянстве расхода жидкости ( ). При испарении либо G конденсации в системе этот расход реально изменяется. Погрешность, обусловленная упрощением, составляет от 3 до % [-]; б) Погрешность, вносимая заменой движущей силы d на d и от пренебрежения влиянием Стефанового потока массы (конвективный поток массы, возникающий из-за непроницаемости поверхности жидкости потоку воздуха; закон односторонней диффузии Стефана); в) Допущение, что эмпирическое соотношение Льюиса равно единице (e=). Этот вопрос тесно связан с допущением о равенстве поверхностей обмена ( ), т.е. F m F является комплексным допущением. Литературные данные по вопросу о величине e для рассматриваемых процессов очень противоречивы и дают разброс от,5 до, [-], причем основными причинами этого является некорректность вычислений, обусловленная неучетом однородности поверхностей контакта фаз, выполнением условия Le = a / D (где Le число Льюиса, a коэффициент температуропроводности, м /с; D коэффициент молекулярной диффузии, м /с) и др; г) Пренебрежением термическим сопротивлением жидкостной пленки R =. Для политропических процессов в системе вода-воздух по данным работ [-] термическое сопротивление системы равномерно рассредоточено между двумя фазами; д) Дополнительная ошибка может иметь место при усреднении движущей силы процесса совместного тепломасcообмена. Приближенные методы и погрешности усреднения рассмотрены в работах [-]; они основаны на замене участка равновесной кривой прямолинейной, параболической, либо экспоненциальной зависимостями. еличины r и c принимаются постоянными в заданных диапазонах изменения основных параметров, что особых сомнений не вызывает. h 45

6 Основной вклад в суммарную ошибку вносят допущения: R, G ; y. еличина ошибки может составлять от % до 5 % [-]. Следует отметить, что без принятых упрощающих предпосылок вывод уравнения (9) невозможен. Уравнение энтальпийного баланса: G c ( t G c ( t t ) G t ) G r r c ( t c * ( t t t ) G c dt G dh (), это уравнение «рабочей линии» процесса испарительного охлаждения (рис., линия А). Таким образом, t линейно зависит от, причем угол наклона линии равен: t dh / dt G c / G. Значение энтальпийного напора в любом сечении аппарата равно вертикальному отрезку между кривой насыщения и рабочей линией (при условии отсутствия термического сопротивления водяной пленки). Основное уравнение Меркеля с учетом (), запишется: t ) h * K hf / G c /( ). dt h h () t Правая часть этого уравнения содержит только термодинамические параметры потоков, левая конструктивные и эксплуатационные характеристики испарительного охладителя (рабочую поверхность, расход воды и коэффициент тепломассопереноса). Это делает уравнение () удобным для практических расчетов. еличина Kh F / G K носит название критерия испарения. На рисунке 3 представлены характерные профили изменения основных параметров воздушных и водяного потоков в НИО (А) и НИО-Rг (). III. МОДЕЛИРОАНИЕ ПРОЦЕССО СОМЕСТНОГО ТЕПЛОМАССО- ОМЕНА Для описания процессов тепломассообмена в НИО при условии материальной однородности потоков выделим элемент насадки протяжённостью H, a y b, z L (рис. 3). Основные уравнения совместного тепломассообмена в «мокрой» части ТМА (конвекция и диффузия) и конвективного теплообмена в его «сухой» части, а также соответствующие условия сопряжения в форме уравнений пограничного слоя [-]: для жидкости ( H, a y h, z L, h толщина слоя жидкости); температура t t (, y, z) определяется из уравнения: G ( y) y t / t / (), а условие на входе, при х =, имеет вид: t (,y,z) = t. для вспомогательного турбулентного потока газа ( H, h y b, z L ) температура tb tb (, y, z) и парциальное давление пара n n(, y, z) определяются уравнениями: tb T tb VB ( y) ( a a ) y (3), y n T n VB ( y) RnTB ( D D ) y (4), y при условии, когда, (5) : tb tb, n n t и при у = b: B п,. (6) y у для основного газового потока ( H, a y, z L ) температура t t (, y, z) определяется из уравнения: O O t О Т to VО ( y) ( a а ) (7), y y при z = : to t O ; при у = - а: t О (8) у условия сопряжения: на стенке, при у = q k ( t ) (9), B t где q тепловой поток при у =, а k α коэф 46

7 фициент теплопередачи через разделяющую каналы стенку толщиной δ cw и теплопроводности λ cw : k cw cw на поверхности раздела, когда y h n, q q q : () результате осреднения, используя законы Ньютона и Дальтона, получим систему уравнений: t a ( tb t) b ( ) c ( to t) tb a ( ), ( tb t b ) () t c ( ) t t z Граничные условия имеют вид: при : t t, t t, B при z=: t = t. () Коэффициенты a, b, c, a, b, c определяются следующими соотношениями: a /( c c k /( c ), b ), a b,6 /, c B B r D /( c /( c k /( c ), B ), дальнейшем рассматривается только нелинейная теория испарительных воздухоохладителей непрямого типа, т.е. коэффициенты a, b, c, a, b, c являются постоянными величинами, а для парциального давление насыщенного пара предполагается нелинейная зависимость: ( t) 69,5 e(,68 t) (3) На рис. 3 представлены характерные профили изменения основных параметров воздушных и водяного потоков в НИО (А) и НИО-Rг (). O ) tо c tb t z с a a t a t c c t c t О t a t b ( ) c t,, b b О (4) Для получения численного решения задачи () - (4) применена явная разностная схема (метод Эйлера). III. АНАЛИЗ ОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ НЕПРЯМОГО ТИПА На рисунках 3 и 4 представлены экспериментально полученные характерные профили изменения основных параметров основного «О» (температура охлаждаемого при неизменном влагосодержании потока) и вспомогательного (температура и влагосодержание) воздушных потоков в НИОг (рис. 5А для потока «О», и для потока, соответственно) по длине и высоте расчетного модуля (результаты приведены для начальных параметров воздуха, поступающего в модуль НИОг: П (Н): t /t m /t = 35//4 С; = г/кг и соотношений контактирующих воздушных потоков в НИО = G O / G B =,5;,;,5). На рисунке 5А показано влияние влагосодержания наружного воздуха на эффективность охлаждения воздушных потоков и температуру рециркулирующей воды в НИОг (А). Температура рециркулирующей в НИОг воды («мокрые» каналы НИОг) t t C, m является m 3 неизменной в цикле. Отметим, что для НИО- R она составляет, по данным настоящего исследования, t t,5 4, C, при m 5 существенно более низкой температуре t m. На рисунке 5 показано влияние соотношения основного и вспомогательного воздушных потоков = G O/G B: (,5;,; 3,5). Анализ работы СК на основе воздухоохладителя Ch. На рисункe 5 на Н- Х диаграмме влажного воздуха, на основе полученных в работе экспериментальных данных, приведен анализ работы воздухоохладителя Ch (схема по рис. А и ) при различных начальных влагосодержаниях воздуха (при одинаковом во всех случаях 47

8 А Н (OA), t, tм h (S). tв, hв совмещенная схема раздельная схема ( cmbined scheme) (sit scheme) НИОг(IEC) О(P): tо, hо О. tо, hо T НИОг (IEC) ИО(EC) (S): tв, hв t = cnst О(P) (S) П: tп, hп T cd water оздухоохладитель непрямого типа НИОг; (Indirect evarative cer IEC) предел охлаждения температура мокрого термометра наружного воздуха (cin imit) Н(П), (OA(F)) t, tм h (S). tв, h совмещенная схема раздельная схема ( cmbined scheme) (sit scheme) НИО-Rг IEC-R, (chier Ch) t = cnst О(P). tо, hо О (P). tо, hо t ИО(EC) Г (S): tв, hв 3 ж() Н (П), (OA(F)) t, tм h 4 t 5 О(P) cd water (S) 6 НИО-Rг, IEC-R (Ch) оздухоохладитель непрямого типа НИО-Rг; (Indirect evarative cer IEC-R, (chier Ch)), предел охлаждения температура точки росы наружного воздуха (cin imit) ИО; НИОг; 3 НИО-Rг (Ch); 4 теплообменники; 5 и 6 «сухой» и «мокрый» каналы испарительного воздухоохладителя Рис.. Принципиальные схемные решения испарительных воздухоохладителей непрямого типа, построенные по совмещенной и раздельной схемам: НИОг (А и ) и НИО-Rг ( и Г), соответственно Переход к раздельным схемам воздухоохладителей 48

9 H = А Д = % С tм H Δh * = Δhг/n (участки разбиений, (break sectins) I-II-III- ), tг Э = tг Р линии «коннод»(ine "Cnnaud") углы «связующих» линий процесса (crners f the "cnnectin" rcess ines) С* С** h + С < t* t А Углы наклона «коннод» в зависимости от = G Г / G Ж (Anes "Cnnaud" deendin n = G / G ) Е t Д* Δt Г Е** III Е* Е II I t < = Д* t* Г Δh/n > Д t h h + h Δh h T h h + h H > = G / G > tм С h = f (t) t ид.(id) рабочая линия идеальной модели процесса (wrk ine idea(id) rcess mde) рабочая линия процесса в ГРД (rcess ine er year) t* А t t м h t Δt t Г t tж* Построения выполнены для условия R ; RΣ = R + R; Δt* = t - t*; hг + определяется при условии: t= t * и φ=% Д Г Δtпл t hг hг + Δh h h T h + Δh G G (t t*) С tм А t t t t h T t t м h t = / ид(id).; = G / G Δt Рис.. Построение линии изменения состояния воздушного потока на Н-Т диаграмме влажного воздуха по высоте испарительного водоохладителя ГРД при различных значениях характеристического числа (соотношения потоков газа и жидкости = G Г / G Ж) и противоточной схеме контактирования потоков, при условии: R ж [] 49

10 О(P) tо t о м hо = cnst tв в hв (S) T, о С хв НИОг(IEC) Х, г/кг(r/k) (S) А Qα о α о α Qα в Qβ в α в β в О(P) t = cnst ж() (S) tв tо О(P) (S) tп t п м п hп t р = cnst h канала(channe), мм О(P) tо t о м hо = cnst П*(F) (S) tо о hо T, о С НИОгR(IEC) Х, г/кг(r/k) Qα п Qα в Qβ в (S) αг п α α в β в O(P) tп t п м п hп t = cnst ж() z y Н (S) tв в hв tв хо = хп хв характерное изменение параметров воздушных и водяного потоков в НИО (the chane f arameters f air and water fw) А процессы в НИО; процессы в НИО/R расчетная схема НИО tп (tо) t р = cnst h канала(channe), мм (S) О(P) (S) х b a L Рис. 3. К моделированию процессов совместного тепломассообмена при испарительном охлаждении воздуха в аппаратах непрямого типа 5

11 4 35, С Т, о С П 7,5 г/кг (r/k) лияние начального влагосодержания воздуха (Infuence f the initia air misture cntent) 3 г/кг (r/k) 7 г/кг (r/k) 3 3, о С 8,5 о С 6,5 о С ж() 4, о С 7, о С 3, С 5,5 о С Δt =, о 3,5 о С,8 о С Δt =,5 о С 5 Δt =,6 о С 5 Х, г/кг(r/k) О А 4 35, С Т, о С лияние соотношениях основного и вспомогательного воздушных потоков (Infuence f main and auiiary air fw ratis) 3,5 С О(P)_ (S)_ 9,5 о С 8,5 о С 3,5 о С 5,5 о С ж() 4, о С 3,5 о С, о С,5,,5 = Gо/Gв (GP/GS) (S). tв, hв 3 НИОг(IEC) 4 О(P). tо, hо t = cnst Рис. 4. Экспериментальные результаты, полученные для испарительного воздухоохладителя НИОг (IEC) при различных: А влагосодержаниях наружного воздуха; соотношениях основного и вспомогательного воздушных потоков в НИО (:,5;,; 3,5) 5

12 Н % Относительная влажность (Reative humidity),, % 4 А Температура (Temerature), С Зона комфортных параметров воздуха КП (Air cmfrt zne) Zne f ermissibe cmfrt arameters % 3 Air cmfrt zne t ASHRAE лагосодержание (Misture cntent), г/кг i [/k s.v.] Процессы -*(О)-*() и 3-3*(О)-3*() приведены для соотношения основного и вспомогательного воздушных потоков = GО/G =,8. На рисунке выделена зона комфортных параметров воздуха ( зачернена), зона допустимых комфортных параметров воздуха () и зона комфортных параметров воздуха по ASHRAE (3 выделена пунктирными линиями) в помещении. (Prcesses - * (О) - * () and 3-3 * (О) -3 * () are iven fr the rati f the main and additina air streams = GО / G =.8. The fiure shws the zne f cmfrt arameters f air ( - backened), ermissibe cmfrt arameters f air () and zne f cmfrt arameters f air accrdin t ASHRAE (3 - marked with dashed ines) in the rm) 3 3«О» (P) 3*«О»(P) 9 r/kr *«О»(P) tр 3 Зон а доп уст им ых ком фо ртн ых пар аме тро в воз дух а r/kr «О» (P) tр «О» (P) 6 r/kr tм 3 7 *(S) tм Prcesses in Ch with different initia misture cntent f air г 5 Энтальпия (Enthay), кдж/кг 3 tр рециркуляция воды (water recycin) t t t 7 ИО(EC) h (S) (S) tм (S) 3* (S) X охлажденный воздух (ced air) 3 Ch Aendi Рис. 5. Анализ работы СК (по рис. ) на основе воздухоохладителя Ch при различных начальных влагосодержаниях воздуха г (при =,) 5

13 соотношении воздушных потоков * = G О / G =,). Полный воздушный поток охлаждается при неизменном влагосодержании в теплообменнике 7 и здесь делится на «основной» поток (О), поступающий в помещение и «вспомогательный» поток (), поступающий в испарительный воздухоохладитель ИО. Линия изменения состояния «основного» потока ( «О», «О», 3 3«О») протекает при постоянном значении влагосодержания воздуха. Для степени приближения к пределу охлаждения, сориентированного на ** t t, температуру точки росы получены результаты: 6 г / кг : t г / кг : t 9 г / кг : t 4,3 C, t 9,5 C, t 7,5 C, t ** ** ** 4, C; 5,5 C; 6, C; то есть: со снижением начального влагосодержания воздуха уровень охлаждения основного воздушного потока значительно снижается, но при этом несколько уменьшается степень приближения к пределу охлаждения; кривая изменения состояния вспомогательного воздушного потока G последовательно выгибается в сторону острого «угла» Н-Х диаграммы влажного воздуха, как бы «упираясь» в предел охлаждения (линии изменения состояния вспомогательного воздушного потока в чиллере «О» «3О» «3») и изменение состояния потока в дальнейшем протекает непосредственно вдоль равновесной кривой φ = %, то есть этот поток полностью насыщается еще до выхода из аппарата; возможно, будет целесообразно при переходе к реализации испарительного охлаждения в Ch на малых величинах начальных влагосодержаний, снижать соотношение потоков = G O / G B. На рисунке 5 выполнен такой анализ и видно, что для получения комфортных параметров основного воздушного потока, поступающего в помещение можно увеличить расход основного воздушного t потока (процессы -*(О) -*() и 3-3*(О) -3*() приведены для соотношения основного и вспомогательного воздушных потоков * = G O / G B =,8), что снижает реальные энергозатраты термометра до температуры точки росы наружного воздуха, при этом были рассмотрены возможности охладителей прямого и непрямого типа, позволяющее в в СК. При этом видно, что линии изменения состояния вспомогательного воздушного потока в чиллере «*О» «*» и «3*О» «3*» протекают уже не по равновесной кривой φ = %, то есть вспомогательный воздушный поток до выхода из насадки ТМА не насыщен и опасность «реконденсации» в нем, а, следовательно, и снижения эффективности процесса существенно снижается. ЫОДЫ. Разработана концепция создания низкотемпературных испарительных охладителей со сниженным пределом охлаждения от температуры мокрого СК снизить удельные энергозатраты при достижении параметров комфортности воздушной среды;. Показано, что сравнительно с прямым испарительным охлаждением воздухоохладитель непрямого типа НИО обеспечивает возможность «сухого» охлаждения воздуха, без его увлажнения; охлаждение воздушного потока в воздухоохладителе-чилере Ch реально снижает предел охлаждения основного воздушного потока ниже температуры наружного воздуха по мокрому термометру, что существенно расширяет возможности испарительных методов охлаждения, «отвоевывая» часть практического приложения при построении СК у парокомпрессионной техники; 3. Показано, что переход к охладителям со сниженным пределом охлаждения сред требует решения проблемы «реконденсации», связанной с опасностью полного насыщения вспомогательного воздушного потока в пределах насадочной части аппарата; выполнен анализ условий возникновения такой опасности и выработаны рекомендации по ее предотвращению; 53

14 4. Экспериментальное исследование позволило конкретизировать рабочие нагрузки на ТМА пленочного типа с учетом величины реальной смоченной поверхности многоканальных полимерных насадочных структур; определена эффективность процессов испарительного охлаждения сред в зависимости от начальных параметров наружного воздуха и соотношения контактирующих потоков газа и жидкости и выработаны рекомендации для расчета и проектирования низкотемпературных охладителей сред; 5. На основе экспериментальных данных выполнен анализ принципиальных возможностей разработанных низкотемпературных испарительных воздухоохладителей Ch, показавший, что со снижением начального влагосодержания воздуха уровень охлаждения значительно снижается, при этом уменьшается и степень приближения к пределу охлаждения; кривая изменения состояния воздушного потока в дальнейшем протекает непосредственно по равновесной кривой φ = %, для предотвращения чего целесообразно снижать соотношение контактирующих потоков газа и жидкости; 6. Использование новых решений позволяет расширить область практического использования методов испарительного охлаждения, например, использование воздухоохладителейчилеров обеспечивает достижение параметров комфортности воздуха в СК без привлечения традиционной парокомпрессионной техники. APPENDIX (ПРИЛОЖЕНИЕ ) Fi.. Basic circuit sutins f indirect tye evarative air cers, buit accrdin t cmbined and searate schemes: IEC (A and B) and Ch (C and D), resectivey. Transitin t divided air cer scheme. - EC; - IEC; 3 - Ch; 4 - heat echaners; 5 and 6 - dry and wet channes f evarative air cer. Fi.. Buidin a ine f chane in the state f the air fw n the Н-Т diaram f humid air an the heiht f the evarative cer fr CTW fr different vaues f the characteristic number Λ (the rati f as and iquid fws = G / G ) and cuntercurrent fw cntactin scheme, rvided: R []. The cnstructins are fufied fr the cnditin R ; R Σ = R + R ; Δt = t * - t ; h is determined under the cnditin: t = t * and φ = %. Fi. 3. Schemes fr mdein the rcesses f jint heat and mass transfer with evarative cin f air in devices f indirect tye. A - rcesses in IEC; B - rcesses in Ch In - the desin scheme f IEC. Fi. 4. Eerimenta resuts btained fr the evarative air cer (IEC) 6 fr varius: A - misture cntent f utdr air; B - ratis f the main and auiiary air streams in the IEC ( = Gо / Gв: -.5; -.; 3 -.5). Fi. 5. Anaysis f the eratin f SCA (in Fi. ) n the basis f the Ch air cer at varius initia misture cntents f air (with = G О / G =.). Литература (References) [] Drshenk A.V., Gauberman M.A. Aternative enery [Aternative enery]. Refrieratin and Heatin Systems, [Odessa I.I. Mechnicw Natina University Press],. [] Guanmin Chen, Kstyantyn Shestav, Aeander Drshenk, Pau Ktun, Pymeric materias fr sar enery utiizatin: a cmarative eerimenta study and envirnmenta asects, Pymer-Pastics Techny and Enineerin, 5, v. 54, [3] Fster R.E., Dijkastra E. Evarative Air- Cnditinin Fundamentas: Envirnmenta and Ecnmic Benefits Wrd Wide. [Prc. Int. Cnf. Aicatins fr Natura Refrierants, Aarhus, Denmark, IIF/IIR, 996,. -9 (In Enish). [4] Jhn L., McNab, Pau McGrer. Dua Indirect Cyce Air-Cnditiner Uses Heat Cncentrated Dessicant and Enery Recvery in a ymer Pate Heat Echaner. [Prc. Internatina Cnress f Refrieratin IIR/IIF], 3, Washintn, D.C, ICR646. [5] Stitchkv N. J., Dimirv G.J. Effectiveness f Crssfw Pate Heat Echaner fr Indirect Evarative Cin. Int. J. Refri., v., n. 6, 998, [6] Zha, X., Liu, S., Riffat, S.B. Cmarative study f heat and mass echanin materias fr indirect evarative cin systems. [Prc 43th Int Cnf. Buidin and Envirnment ], 8, [7] Gmes E.V., Martinez F.J., Diez, F.V., Leyva, M.J., Martin, R.H., Descritin and eerimenta resuts f a semi-indirect ceramic evarative cer. Int. Jurna f Refrieratin, 5, v. 8, [8] Martínez F.J., Gómez E.V., García C.M., Requena J.F., Gracia L.M., Navarr S.H, Guimaraes A.C., Gi J.M. Life cyce assessment f a semi-indirect ceramic evarative cer vs a heat um in tw cimate areas f Sain. Aied Enery., v. 88,

15 [9] Hasan A. Gin bew the wet-bub temerature by indirect evarative cin: Anaysis usin a mdifiede-ntu methd. Aied Enery 89 () [] Kabee A., Abdeaied M. Numerica and eerimenta investiatin f a nve cnfiuratin f indirect evarative cer with interna baffes. Enery Cnversin and Manaement 6 (6) [] Chen Y., Yan H., Lu Y. Indirect evarative cer cnsiderin cndensatin frm rimary air: Mde devement and arameter anaysis. Buidin and Envirnment 95 (6) 33e345. [] Chen Y., Yan H., Lu Y. Parameter sensitivity anaysis and cnfiuratin timizatin f indirect evarative cer (IEC) cnsiderin cndensatin. Aied Enery 6. [3] Metd and Aaratus f Indirect-Evarative Cin, Patent RF, n. US 6,497,7 B,. [4] Patent USA (Pub. N.: US 9/7583 A, Pub. Date: Jan. 8, 9). Indirect Evarative Cin Device. [5] Patent USA (Pub. N.: US 4/645 A, Pub. Date: Ar., 4). Maistsenk et a. Indirect Evarative Cin Mechanism [6] Patent USA (Pub. N.: US 7,765,87 B, Pub. Date: Au. 3, ). Muti-Stae Evarative Cin System [7] Patent USA (Pub. N.: US /8896, A. Pub. Date: Nv., ). Evarative Air Cer with muti Staes Cin and r Heatin with r withut Cin Ci.[8] Patent USA (Pub. N.: US /8896, A. Pub. Date: Nv., ). Evarative Air Cer with muti Staes Cin and r Heatin with r withut Cin Ci [8] Patent USA (Pub. N.: US 6,494,7 B, Date f atent: Dec. 4, ). Maistsenk et a. Methd and Aaratus f Indirect Evarative Cin [9] Maistsenk V., Leand Gian, M. 3, The Maistsenk Cyce fr Air Desiccant Cin. [Prc. h Int. Cn f Refrieratin IIR/IIF], 3, Washintn, D.C, ICR646. [] Denis Pandeidis, Serey Anisimv, Wiiam M. Wrec. Perfrmance study f the Maistsenk Cyce heat echaners in different air-cnditinin aicatins. Intern. Jurna f Heat and Mass Transfer, 5, v.8,. 7- [] Pasca Stabat, Dminique Marchi. Simified mde fr undirect-cntact evarative cin twer behaviur. France. Aied Enery , [] Muhammad H., Muhammad S., Miyazaki T., Kyama S., Maistsenk S. Overview f the Maistsenk cyce A way twards dew int evarative cin. Renewabe and Sustainabe Enery Reviews 66 (6) Сведения об авторах. Дорошенко Александр икторович доктор технических наук, профессор кафедры ТДЭ ОНАПТ, сфера научных интересов теплофизика, тепломассообмен, альтернативная энергетика. е-mai: Антонова Альфия Раисовна кандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий и кибербезопасности ОНАПТ, сфера научных интересов математическое моделирование, теплофизика, альтернативная энергетика. е-mai: Халак ячеслав Федорович аспирант кафедры термодинамики и возобновляемой энергетики ОНАПТ, сфера научных интересов: теплофизика, тепломассообмен, альтернативная энергетика.. е-mai: Гончаренко Александр Сергеевич аспирант кафедры термодинамики и возобновляемой энергетики ОНАПТ, сфера научных интересов: теплофизика, холодильная техника, альтернативная энергетика. е-mai: 55