ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КЛИМЧУК ОЛЕКСАНДР АНДРІЙОВИЧ

УДК 536.248:643.334

Підвищення ефективності випарного охолодження

в системах промислової теплоенергетики

05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському національному Політехнічному Університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор

Титар Сергій Семенович,

Одеський національний Політехнічний Університет, професор кафедри теплових електричних станцій і енергозберігаючих технологій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Бурдо Олег Григорович, завідувач кафедри Процесів та апаратів Одеської національної академії харчових технологій,

кандидат технічних наук, доцент Желєзний Віталій Петрович професор кафедри Інженерної теплофізики Одеської державної академії холоду.

Провідна установа: Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “27” червня 2003 р. о 1400 годині

на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д.41.052.04. в Одеському національному Політехнічному Університеті за адресою: 65044 м. Одеса, пр. Шевченка, 1

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету: 65044 м. Одеса, пр. Шевченка, 1

Автореферат розісланий “26” травня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кравченко В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Загальний стан взаємозалежних енергетичних і екологічних проблем обумовили пошук принципово нових перспективних рішень для кондиціонуючої техніки комфортного і технологічного призначення, що забезпечують екологічну чистоту і мале енергоспоживання. До таких рішень належить широке практичне використання поновлюваних джерел енергії. У ряді цих методів знаходяться і добре відомі методи випарного охолодження середовищ, що сьогодні знову викликають у світовій науці й інженерії безсумнівний інтерес. В останні роки з'явилася велика кількість експериментальних і теоретичних робіт, пов'язаних з використанням випарних методів. Основні проблеми їх широкого практичного застосування: значні габарити і матеріалоємність; обмеженість кліматичних умов їхнього можливого використання (переважно жаркий і сухий клімат); необхідність у прісній воді для компенсації випарного процесу. До безсумнівних достоїнств відноситься мале енергоспоживання й екологічна чистота. У той же час добре відомі і проблеми, властиві парокомпресійній техніці, що займає сьогодні в холодильній і кондиціонуючій сфері домінантне положення. Це проблема озонобезпеки, пов'язана з робочими агентами, що використовуються сьогодні, і проблема високого енергоспоживання (глобального потеплення), пов'язана з емісією діоксиду вуглецю.

Необхідна розробка і комплексне дослідження кондиціонуючих систем комфортного і технологічного призначення на основі випарних методів охолодження (комбіновані системи на основі охолоджувачів прямого і непрямого типів).

1. Зв'язок роботи з науковими планами, програмами, темами. Робота виконана відповідно до наукової програми "Перспективні напрямки використання енергозберігаючих технологій в теплоенергетиці"; INTAS PROJECT; Reference Number: INTAS-96-1730 "Alternative Refrigerating, Heat-Pumping and Air-Conditioning Systems on the basis of the open absorption cycle and Solar Energy" 1997-1999, а також у рамках таких законодавчих актів: Постанови Верховної Ради України №75/94-ВР від 1.07.94 р., що затвердила “Закон України про енергозбереження”, Постанови Кабінету Міністрів України №1274 від 17.10.96 р. “Про програму припинення виробництва та використання озоноруйнуючих речовин”, Постанови Кабінету Міністрів України №148 від 5.02.97 р. “Про комплексну державну програму енергозбереження України”, Постанови Кабінету Міністрів України №583 від 14.04.99 р. “Про Міжвідомчу комісію із забезпечення виконання Рамкової конвенції про зміну клімату” та ін.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення компактної тепломасообмінної апаратури для випарного охолодження середовищ, яка може у системах з помірним холодом замінити традіційні екологічно небезпечні та енергоємні холодильні установки. Відповідно до поставленої мети були сформульовані і вирішені задачі:

·

·

·

·

·

·

Об?єктом дослідження є охолоджувач випарного типу.

Предметом дослідження є процеси сумісного тепломасообміну у апаратах прямого та непрямого випарного типу.

Дослідження процесів тепломасообміну здійснювалось теоретичними та експериментальними методами, причому випробування дослідних зразків разроблених апаратів виконувалось у процесі натурного эксперименту.

Наукова новизна отриманих результатів.

·

·

·

·

·

·

·

·

·

Наукові положення, сформульовані на основі виконаних досліджень:

1. Для комбінованого випарного охолоджувача у вигляді багатоступінчастого компонування непрямих випарних охолоджувачів число ступіней не повинне перевищувати трьох, а оптимальним є компонування у вигляді сполучення НВО у якості першої і ПВО – у якості другої довідної ступіні охолодження, що дозволяє забезпечити комфортні параметри повітря, "увімкнути" пряме випарне охолодження на низькому температурному рівні, уникнути значного дозволоження повітряного потоку і мінімізувати енерговитрати.

2. Система СОТ РЕА, заснована на використанні непрямого випарного охолоджувача НВО/Т, цілком забезпечує підтримування необхідного температурного і вологісного режимів безвідмовної експлуатації РЕА, при цьому співвідношення основного і допоміжного повітряних потоків Gо / Gдп повинно складати 1…1.1, а схема їхнього руху в межах модуля НВО/Т носить змішаний характер (прямо- поперечноструминна схема).

Вірогідність наукових положень і результатів підтверджується результатами досліджень і хорошим узгодженням отриманих результатів з існуючими літературними даними у світовій науковій періодиці.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані результати передані Укрхарчопрому Міністерства Аграрної політики України для практичного використання на підприємствах харчової і переробної промисловості.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота виконана при консультаціях наукового керівника. На окремих етапах роботи в ній брали участь співробітники ОНПУ й ОДАХ – співавтори основних публікацій. Особисто здобувачем виконано: моделювання робочих процесів в альтернативних системах і цикл експериментально-розрахункових досліджень; аналіз отриманих результатів; розробка пілотної альтернативної системи кондиціонування повітря (АСКП).

Апробація роботи

Основні положення дисертаційної роботи докладалися на:

·

·

Публікації. За результатами роботи опубліковано 6 наукових праць, у тому числі 3 у журналах, що входять до відповідного Переліку ВАК України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаних літературних джерел із 110 найменувань, 6 додатків, 33 рисунків, 3 таблиць, 140 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми з урахуванням сучасних проблем енергетики й екології, розглянута зростаюча роль випарних методів охолодження середовищ у нових технологіях і, зокрема, у техніці комфортного і технологічного кондиціонування повітря; сформульовані мета й основні задачі дослідження; сформульовані наукові положення, що захищаються автором; викладені наукова новизна, практична цінність і апробація результатів роботи й обговорен особистий внесок здобувача.

У першому розділі розглянутий сучасний стан проблеми і виявлені основні тенденції розвитку техніки кондиціонування повітря.

.Випарні охолоджувачі непрямого типу розроблялися Кокоріним О.Я., Зусмановичем Л.М., Захаровим Ю.В., в ОДАХ (Дорошенко О.В., Ярмолович Ю.Р., Дем’яненко Ю.І.), у працях Майсоценко В.С., Цимермана А.Б та ін. Довгий час розвиток випарних методів і їхнє практичне застосування стримувався декількома основними причинами: порівняно великими габаритами в зіставленні з добре розвинутими рішеннями для парокомпресійних систем, необхідністю постійної витрати свіжої води на організацію випарного циклу і природними обмеженнями по кліматичних областях можливого використання. Кращою областю використання таких систем є сухий і жаркий клімат (діапазон вологовмістів зовнішнього повітря < 13 г/кг).

Проблеми енергетики й екології, характерні для останніх років (проблема озонобезпеки, характерна для холодильної техніки – Монреальський Протокол 1987 року; проблема глобального потеплення, характерна для усіх без винятку систем життєзабезпечення, Кіотський Протокол 1997 року), обумовили зростаючу роль випарних методів охолодження середовищ у нових технологіях і, зокрема, у техніці комфортного і технологічного кондиціонування повітря.

В другому розділі вироблені основні вимоги до альтернативних кондиціонуючим системам і загальні принципи побудови таких систем. Як основне рішення для охолоджувачів використовується апарат непрямого випарного охолодження, вирішений за сполученою схемою у вигляді багатоканальної насадки з поперемінними “вологими” (взаємодіють допоміжний повітряний потік і водяна плівка, рециркулююча через апарат) і “сухими” каналами (основний повітряний потік, охолоджуваний при незмінному вологовмісті). НВО – плівковий тепломасообмінний апарат з поперечноструминною або змішаною схемою взаємодії основного і допоміжного повітряних потоків (протиструминна у "вологій" частині апарата, де допоміжний потік контактує з рециркулюючою через насадку водою – рис. 1А). У результаті випарного охолодження води у “вологих” каналах забезпечується безконтактне охолодження основного повітряного потоку в “сухих” каналах НВО через тонку теплопровідну, поділяючу ці канали, стінку. Природною межею випарного охолодження в одноступінчастому НВО є температура повітря по мокрому термометру на вході в НВО, для багатоступінчастих схем ця межа знижується до температури точки роси зовнішнього повітря. Безсумнівно, корисним є включення в схему охолоджувача регенеративного теплообмінника на допоміжному повітряному потоці, що залишає апарат, при цьому варто враховувати і супутнє зростання енерговитрат. Робота комбінованого випарного охолоджувача КВО в складі СКП може бути організована як по вентиляційній, так і по рециркуляційній схемах Для задач комфортного кондиціонування розроблений модуль НВО/К з поперечноструминною схемою взаємодії повітряних потоків; для СОТ РЕА – модуль НВО/Т зі змішаною схемою взаємодії. Конструктивне оформлення основних елементів СКП комфортного і технологічного призначення уніфіковано. Вони вирішені у вигляді плівкових апаратів, у яких як елемент насадки використовується поперечногофрований лист (рис. 1А).

Процеси випарного охолодження в НВО описуються системою рівнянь:

(1)

при при (2)

де tрд; tдп; tо – температура рециркуляційної води, допоміжного повітряного потоку, основного повітряного потоку С; рдп; р; р* – парціальний тиск водяної пари в допоміжному повітряному потоці, тиск повітря; парціальний тиск водяної пари на поверхні розділу фаз, Па.

При течії по складнопрофільованих поверхнях величина вільної поверхні рідини ( ) і периметри змочених ( ) і сухих ( ) ділянок гофрованої поверхні визначаються співвідношеннями:

(3)

де

Коефіцієнти в цих рівняннях враховують сухі і змочені ділянки поверхні й обчислюються по формулах

(4)

де - коефіцієнт тепловіддачі рідини, Вт/(м2К); - коефіцієнт теплопередачі від повітря до рідини Вт/(м2К); - теплопроводність рідини Вт/(мК); - теплоємність рідини, КДж/(кгК).

Система (1) розв’язується чисельним методом і дозволяє визначити параметри всіх потоків у НВО, як для одно- так і для багатоступінчастих схем у різних схемних рішеннях. Вона легко трансформується стосовно до процесу в комбінованих випарних охолоджувачах НВО/ПВО.

У третьому розділі роботи наведено результати розрахунків. Визначали вплив початкових параметрів: кліматичних умов – вологовмісту і температури зовнішнього повітря; на співвідношення витрат потоків газу і рідини через апарати. Визначальним для СКП є виконання вимог до термовологісних параметрів повітря в приміщенні. На діаграмі вологого повітря (рис. 2А) показано процеси, що протікають у теплообміннику попереднього охолодження повітряного потоку, що викидається в середовище холодним і зволоженим допоміжним потоком повітря – (2-3) і (5-7); процеси зміни стану основного потоку повітря (3-4) і допоміжний потоки (3-5) у НВО; а також процес додаткового охолодження повітря в ПВО (4-4*). Можна зробити висновки: у випадку, коли < 13 г/кг, цілком достатньо використовувати КВО в складі НВО/ПВО; у випадку, коли початкові параметри повітря >13г/кг – неможливо забезпечити вихід у зону комфортних параметрів з використанням тільки методів випарного охолодження; показано, що оптимальне співвідношення повітряних потоків (основного і допоміжного) у НВО складає Gо / Gдп = 1.0.

Експериментальне дослідження виконане на стенді, що забезпечує можливість вивчення робочих характеристик випарних охолоджувачів на основі НВО, як в одно-, так і в багатоступінчастих варіантах, включаючи комбінований випарний охолоджувач НВО/ПВО, де, у якості другої додаткової охолоднжуючої ступіні використаний прямий випарний охолоджувач ПВО. Підготовка повітря необхідних параметрів перед входом в апарати виконувалося за допомогою електронагрівників і парогенераторів. Вимірялися витрати потоків газу і рідини, аеродинамічний опір випробуваних модулів, температури і вологовмісти (за допомогою відповідних пар сухих і мокрих термометрів і термопар).

Були досліджені модулі НВО/К с поперечногофрованим листом насадки, що відрізняються компонуванням "вологої" і "сухої" частин апарата. Всі апарати поперечноструминні, плівкові. Крок і висота гофрування листа складали в дослідах – Р = 12-16; Е= 7-8. Основні результати наведені у виді залежностей аеродинамічних опорів для основного і допоміжного потоків і інтенсивності спільного тепломасопереносу.Спеціальний цикл досліджень було присвячено вивченню змішаної схеми взаємодії потоків (модуль НВО/Т, змішана проти-поперечноструминна схема руху основного повітряного потоку через насадку у випадку охолоджувача СОТ РЕА). Показано, що оптимальними для НВО/К є співвідношення витрат основного і допоміжного потоків повітря lопт = Gо / Gдп = 1.0; величина еквівалентного діаметра каналів у "сухій" і "вологій" частинах НВО складає dе.о = dе.в = 12-30. У випадку використання НВО/Т в складі СОТ РЕА значення dе.о і dе.в можуть відрізнятися, відповідно до прийнятої схеми руху основного повітряного потоку в охолоджуваному об’ємі РЕА.

Рис. 1 Схематичне зображення потоків у комбінованому випарному охолоджувачі (НВО/ПВО).

Позначення: о – основний повітряний потік; дп – допоміжний повітряний потік; в – водяний потік.

А – Комбінований випарний охолоджувач; В – непрямий випарний охолоджувач.

Рис. 2. Зображення робочих процесів випарного охолодження на Н-х діаграмі вологого повітря.

А – в непрямому випарному охолоджувачі, коли вологовміст повітря нижче 13 г/кг; В – в альтернативній системі кондиціювання повітря, коли вологовміст зовнішнього повітря вище за 13 г/кг. На діаграмі показана зона комфортних параметрів повітря (зона К, виділена затемненою дільницею на діаграмі) та зона допустимих комфортних параметрів, яка виділена світло-сірою лінею навкруги зони комфортних параметрів.

Таблиця 1.

Розрахункові параметри повітря для СКП випарного типу (НВО/Р) (< 13 г/кг)

N

/

N |

Країна |

Місто | Розрахункові параметри повітря (літнє кондиціонування) | Комбінований випарний

охолоджувач | Основной поток воздуха | Вспомогательный поток воздуха

кг/ч | С | г/кг | % | кг/ч | С | г/кг | С | кг/ч | кг/ч | С

1 | Україна | Київ | 10 | 28.7 | 11.2 | 44 | 5 | 23.8 | 11.2 | 5 | 0.5 | 23.76

2 | Україна | Одеса | 10 | 28.6 | 13 | 50 | 5 | 24.4 | 13 | 5 | 0.5 | 24.33

3 | Україна | Львів | 10 | 26.4 | 12.5 | 59 | 5 | 22.9 | 12.5 | 5 | 0.5 | 22.85

6 | Кенія | Найробі | 10 | 28.3 | 8.62 | 37 | 5 | 21.95 | 8.62 | 5 | 0.5 | 21.93

7 | Лівія | Джарабуб | 10 | 45.0 | 10.15 | 17 | 5 | 30.13 | 10.15 | 25.07 | 5 | 0.5 | 30.09

8 | Ірак | Багдад | 10 | 46.1 | 8.20 | 13 | 5 | 30.00 | 8.20 | 23.90 | 5 | 0.5 | 29.50

9 | Іран | Тегеран | 10 | 37.8 | 10.18 | 25 | 5 | 26.10 | 10.18 | 5 | 0.5 | 26.07

10 | Угорщина | Будапешт | 10 | 34.4 | 10.78 | 32 | 5 | 25.33 | 10.78 | 5 | 0.5 | 25.30

11 | Австралія | Канберра | 10 | 36.1 | 9.30 | 25 | 5 | 25.50 | 9.30 | 5 | 0.5 | 25.42

12 | Алжир | Колон-Бешар | 10 | 40.6 | 8.95 | 19 | 5 | 27.00 | 8.95 | 5 | 0.5 | 26.90

13 | Англія | Лондон | 10 | 27.8 | 9.73 | 42 | 5 | 22.28 | 9.73 | 5 | 0.5 | 22.26

Таблиця 1.

Подальше зниження температурного рівня охолодження може бути досягнуто переходом до багатоступінчастих схем НВО. Експериментально вивчали можливості різних варіантів багатоступінчастих схем (варіювали до трьох ступіней НВО в складі КВО): схема I – з незмінною витратою основного потоку, при використанні в кожній наступній ступіні НВО свіжого повітря, як допоміжного потоку; II – з незмінними перед кожною ступінню НВО параметрами основного потоку і попереднім "сухим" охолодженням допоміжного; III – з розподілом перед кожною ступінню НВО основного потоку на два – основний і допоміжний; IV – комбінована схема в складі НВО/ПВО, де, у якості другої додаткової охолоджуючої ступіні використано прямий випарний охолоджувач ПВО. Найбільш глибоке охолодження забезпечує схема III (величина ефективності процесу, розрахована по температурі точки роси зовнішнього повітря, Еfр =0.92), при цьому "вихід" основного потоку складає усього лише l = Go/Gп = 0.125, у той час як для I і II схем величина l = 0.25, що свідчить про значне зростання питомих енерговитрат. Для всіх цих схем ефективність процесу прогресуючим чином знижується для кожної наступної ступіні каскаду. Максимальне значення теплоенергетичної ефективності QЕf/N (Q – холодопродуктивність; Ef – ефективність; N – сумарні енерговитрати) відповідає першим двом ступіням схем. Використання теплообмінників на допоміжних повітряних потоках, що викидаються в середовище, для попереднього охолодження повного повітряного потоку підвищує ефективність процесу при супутньому зростанні енерговитрат на рух потоків N, причому комплекс QЕf/N зростає на 10-15%. Схема IV – комбінована схема в складі НВО/ПВО – забезпечує максимальний "вихід" основного потоку l = Go/Gп = 0.5 при мінімальних енерговитратах. Ця схема рівноцінна двоступінчастій схемі III, з виграшем у енерговитратах, оскільки ступінь ПВО завжди вимагає більш низьких енерговитрат, ніж НВО. Безконтактне охолодження основного потоку в НВО знижує межу випарного охолодження для наступної ступіні ПВО. Використання прямого випарного охолодження на більш низькому температурному рівні дозволяє одержати комфортні параметри, не приводячи до істотного зростання вологовмісту повітря. Надалі для створення комфортних кондиціонерів у роботі використовувалася комбінована схема НВО/ПВО.

У четвертому розділі роботи наведено практичні результати і технічні характеристики розроблених СКП комфортного (ПКП-2.0) і технологічного (СОТ РЕА) призначення.

ПКП заснований на використанні розробленого непрямого випарного охолоджувача НВО/К і теплообмінника на допоміжному повітряному потоці, що залишає апарат. Принципові можливості ПКП ілюструються на Н-х діаграмі вологого повітря (рис. 2А) і даними табл. 1. У діапазоні вологовмістів зовнішнього повітря < 13 г/кг ПКП цілком забезпечує одержання необхідних комфортних параметрів. Розроблений ПКП-2.0 (рис. 3), продуктивністю по основному повітряному потоку 700 м3/год, номінальною холодопродуктивністю 2.0 кВт. Розроблені варіанти ПКП комплектуються вентиляторами діаметрального типу марки DFE-133-2* (виробництва фірми OSTBERG; енергоспоживання двигуна вентилятора складає 0.179 кВт), або цієї ж фірми марки RFE-250 A і двома водяними насосами, що забезпечують рециркуляцію води в межах кожного модуля (енергоспоживання двигуна 0.3 кВт). Виконана розробка дозволяє також створювати ПКП більшої продуктивності при інших компоновочних схемах.

Розроблені ПКП мають кліматичні обмеження: вони оптимальні в сухому і жаркому кліматі, однак із зростанням вологовмісту їхня ефективність знижується. Одним з рішень цього питання є попереднє осушення вологого повітря для забезпечення можливості застосування випарних методів охолодження. Тут легко інтегруються розроблені випарні охолоджувачі. Така альтернативна СКП являє собою схему, що складається з двох основних блоків: блок попереднього осушення повітря і блок випарного охолодження. До складу останнього входить випарний модуль НВО/К. Блок осушення повітря включає абсорбер, де попередньо осушується повітряний потік, і десорбер (регенератор) з використанням сонячної регенерації абсорбенту. Повітряний потік, осушуючись в абсорбері, знижує вологовміст і значення природної межі випарного охолодження, що забезпечує значний потенціал охолодження в НВО. У десорбері відбувається відновлення концентрації слабкого, розведеного в абсорбері, абсорбенту, до початкової. На підставі попереднього аналізу [у рамках проекту INTAS PROJECT за участю автора; Reference Number: INTAS-96-1730 "Alternative Refrigerating, Heat-Pumping and Air-Conditioning Systems on the basis of the open absorption cycle and Solar Energy" 1997-1999] зроблений висновок про доцільність використання як абсорбенту розчину LiBr, що забезпечує зниження необхідної температури гріючого джерела для регенерації, а також має невисоку корозійну активність. Регенерація абсорбенту відбувається в десорбері, де тепло, необхідне для осушення абсорбенту, забезпечується геліосистемою із плоскими сонячними колекторами. На рис. 2В на Н-х діаграмі вологого повітря показані принципові можливості альтернативної системи, що забезпечує одержання комфортних параметрів повітря поза кліматичними обмеженнями, у всьому діапазоні значень вологовмісту до = 25 г/кг.

Новою і перспективною областю практичного використання НВО є відвід тепла від блоків радіоелектронної апаратури СОТ РЕА. Це СКП технологічного призначення, заснована на розроблених у цьому дослідженні непрямих випарних охолоджувачах – модуль НВО/Т. Проблема відводу тепла є актуальною і пов'язана із зростанням відмов елементів РЕА при підвищенні температури усередині шафи. Сьогодні найпоширенішим є повітряне охолодження РЕА шафового типу (понад 90%). Розвиток систем керування на основі РЕА здійснюється за рахунок використання мікропроцесорних наборів і інтегральних мікросхем і збільшення щільності монтажу. Це приводить до зростання питомого теплового навантаження на елементи РЕА і підвищує імовірність відмов. Сьогодні рівень тепловиділень досягає 800-1000 Вт/м2. Тривалість безвідмовної експлуатації досягається рівнем температури усередині стійки. Зростання температури на кожні 10 градусів у діапазоні 20-60 С приводить до зростання інтенсивності відмов блоків РЕА на 15-50%. Неприпустимо також підвищення вологості рециркулюючого усередині стійки охолоджуючого повітряного потоку (нестабільність параметрів через вплив температури складає 60-70%, а у випадку спільного впливу температури і вологості вона зростає до 95-98%!). Цим умовам повною мірою відповідає принцип непрямого випарного охолодження.

На рис. 4А показана принципова схема СОТ РЕА на основі модифікації НВО/Т, а на рис. 4В конструктивне оформлення випарного охолоджувача. Модифікація НВО/Т, призначена для використання в СОТ РЕА, відрізняється характером руху основного повітряного потоку через насадну частину НВО/Т. Апарат НВО/Т в складі СОТ РЕА розташовується безпосередньо під стійкою з РЕА, рух допоміжного повітряного потоку відбувається в горизонтальному напрямку. Складність тут полягає в необхідності забезпечити рівномірний рух основного повітряного потоку як у межах об’єму охолоджуваної шафи з РЕА, так і через охолоджуючий модуль НВО/Т. Рішення полягає в плавному розвороті основного повітряного потоку в межах насадного модуля, що забезпечується введенням у теплообмінні елементи (галети) листів насадки з косокутним рифленням. Це забезпечує рівномірне введення основного потоку в модуль, плавний його розворот у межах насадки і вивід в об’єм шафи також у вертикальному напрямку. У верхній частині модуля виконано два вікна, постачені вентиляторами, для входу і виходу основного повітряного потоку. Таким чином, схема руху основного і допоміжного потоків повітря в межах модуля НВО/Т носить змішаний характер (прямо- і поперечноструминна в межах різних ділянок насадної частини модуля НВО/Т).

Розроблена СОТ РЕА для охолодження стандартної стійки типу АС-2621 з РЕА (потужність тепловиділень 1.0…1.2 кВт, стійка обрана в якості наочного і повномасштабного об'єкта досліджень) включає три вентилятори зовнішнього обдуву, що забезпечують рух допоміжного потоку через НВО/Т, і п'ять вентиляторів, що забезпечують рециркуляцію основного повітряного потоку в об’ємі шафи із розосередженими в ньому РЕА, включаючи і локальний обдув найбільш тепловиділяючих елементів РЕА й в охолоджуваному модулі НВО/Т. Марка вентилятора осьового типу 1.25 ЭВ-2.8-6-3270У4, споживана потужність кожного 0.027 кВт. Витрата основного повітряного потоку складала 300-400 м3/год., допоміжного повітряного потоку 250-300 м3/год., тепловідвід – 1.0…1.1 кВт, споживана вентиляторами і водяним насосом сумарна потужність складає 0.2-0.3 кВт.

На рис. 4С показані основні режими охолодження стійки АС-2621 з РЕА за допомогою: 1 – природного розсіювання тепла через стінки корпуса стійки; 2 – штатні теплообмінники; 3 – розробленої СОТ РЕА (3 – розрахунок, 3* – натурні випробування на основі НВО/Т). Видно хороша відповідність розрахункових і експериментальних даних. На рис. 4D показаний температурний рівень охолодження стійки з РЕА при температурі зовнішнього повітря 40 С,

Рис. 3. Схематичний вигляд випарного охолоджувача ПКВ-2.0.

Позначення: 1 – кондиціоноване повітря, що надходить до приміщення; 2 – рецеркулюючий повітряний потік; 3 – зовнішнє повітря; 4 – повітряний потік, що викидується у навколишнє середовище; 5 – НВО; 6 – ПВО; 7 – ТО; 8 – вентилятор; 9 – водяний насос рецеркуляційного контура; 10 – повітриприймальна камера; 11, 12 – водяні ємності НВО і ПВО відповідно; 13, 14 – водорозподілювачі НВО і ПВО відповідно; 15 – регулюючі жалюзі.

Таблиця 2.

Технічні характеристики ПКП – 2.0

№№ | Технічні характеристики | Величина

Варіанти схем

А | Б | В

1 | Продуктивність по повітрю м3/год

в тому числі по основному потоку м3/год

по допоміжному потоку м3/год | 1300

700

600 | 1300

700

600 | 1300

700

600

2 | Холодопродуктивність, кВт

(при температурі 30-35 С і відносній вологості 45-50%) | 2.0 | 2.0 | 2.0

3 | Споживана потужність (вентилятором і водяним насосом), кВт | 0.32 | 0.358 | 0.3

Витрата рециркулюючої води через насадку апарата, л/год | 150 | 155 | 155

Аеродинамічний опір Па | 100 | 115 | 105

Основні габарити:

·

·

·

700

700

259 |

750

753

240 |

726

945

240

4 | Маса (апарат без води) | 25 | 30 | 35

де наведені максимальна (1), середня (2) і мінімальна (3) температури в охолоджуваному об’ємі шафи.Розходження між мінімальними і максимальними температурами повітря в охолоджуваному об’ємі викликано розходженням тепловиділень від окремих елементів РЕА і нерівномірністю їх обдуву рециркулюючим через порожнину шафи потоком основного повітря. Ситуація може бути істотно поліпшена тільки зміною конструктивного оформлення шафи в цілому (розосередженням елементів РЕА по об’єму стійки; посиленням локального обдуву особливо тепловидільних елементів). Очевидно, що розроблена СОТ РЕА на основі НВО/Т цілком забезпечує підтримку необхідних температурних параметрів усередині шафи з РЕА, при цьому нове рішення легко інтегрується з існуючими конструкціями стійок з РЕА, а додаткова витрата енергії мінімальна.

Рис. 4. Використання розробленого непрямого випарного охолоджувача НВО/Т для забезпечення температурного режиму безвідмовної роботи РЕА.

А – шафа зі схемою розташування охолоджуваних елементів РЕА і модуля НВО/Т (СОТ); В – принципова схема охолоджувача НВО у варіанті для РЕА і схема руху робочих потоків: 1 – елементі РЕА; 2 – вентилятори; 3 – випарний охолоджувач; 4 – корпус випарного охолоджувача; 5 – насос; 6 – колектори підводу води до листів насадки; 7 – галети; 8 – косокутне рифлення в листах насадки; С – основні режими охолодження стійки АС-2621 з елементами РЕА; D – температурний рівень охолодження у шафі з РЕА, що забезпечується розробленою СОТ РЕА.

висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Климчук О.А. Підвищення ефективності випарного охолодження в системах промислової теплоенергетики. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003 р.

У світі безупинно зростає інтерес до методів випарного охолодження середовищ у зв'язку з загальним погіршенням енергетичних і екологічних проблем. Це обумовлено екологічною чистотою і можливістю значного зниження енерговитрат.

Вироблено основні вимоги до нових систем і принципи їхньої побудови. Для блоку випарного охолодження використані охолоджувачі непрямого типу НВО, виконані за сполученою схемою у вигляді багатоканальної насадки з поперемінними “вологими” і “сухими” каналами. У якості оптимальних для альтернативних систем визначені тепломасообмінні апарати плівкового типу з поперечноструминною схемою взаємодії робочих потоків. Виконано моделювання робочих процесів в альтернативних системах. Показано, що оптимальною є схема в складі НВО/ПВО, що забезпечує максимальний "вихід" основного потоку l = Go/Gп = 0.5-0.55 при мінімальних енерговитратах.

Розроблені СКП комфортного (ПКП) і технологічного призначення (СОТ РЕА). ПКП забезпечують продуктивність по основному повітряному потоку 700 м3/год і номінальну холодопродуктивність 2.0 кВт. Система СОТ РЕА, стійко забезпечує підтримку необхідного температурно-вологісного режиму безвідмовної експлуатації РЕА. Розроблені системи забезпечують зниження енерговитрат, порівняно з існуючими парокомпресійними системами, на 30-40 % і безсумнівній екологічній чистоті застосовуваних технологічних рішень.

Ключові слова: випарне охолодження, насадка регулярної структури, непряме випарне охолодження, комфортна зона, комфортне та технологічне кондиціонування.

Климчук А. А. Повышение эффективности испарительного охлаждения в системах промышленной теплоэнергетики. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003 г.

Возрастающий интерес к методам испарительного охлаждения сред связан с общим усугублением взаимосвязанных энергетических и экологических проблем. Это направление является важнейшей альтернативой парокомпрессионной холодильной технике, что обусловлено экологической чистотой испарительных методов охлаждения и возможностью значительного снижения энергозатрат. Работа посвящена использованию методов испарительного охлаждения в комфортном и технологическом кондиционировании воздуха в системах промэнергетики.

Выработаны требования к новым системам и принципы их построения. В качестве “сердца” системы использованы испарительные охладители непрямого типа НИО, решенные по совмещенной схеме в виде многоканальной насадки с чередующимися “влажными” (испарительное охлаждение водяной пленки, рециркулирующей через аппарат в контакте со вспомогательным воздушным потоком) и “сухими” каналами (основной воздушный поток, охлаждаемый при неизменном влагосодержании) В качестве оптимальных для альтернативных систем определены тепломассообменные аппараты пленочного типа с поперечноточной схемой взаимодействия рабочих потоков, обеспечивающие высокую эффективность рабочих процессов при минимизации энергозатрат на транспорт рабочих сред. Выполнено моделирование рабочих процессов с учетом реального характера гидродинамического взаимодействия потоков и распределения поверхностей тепломассообмена. В пленочных тепломассообменных аппаратах с многоканальной насадкой, образованной сложнопрофилированными поверхностями (листами насадки) происходит реальное перераспределение жидкости, стекающей вдоль поверхности листов, при этом образуются сухие и смоченные участки поверхности. Учет реального неравенства поверхностей тепло- и масопереноса в системе обеспечивает повышение точности инженерных расчетов и правильный выбор расхода рециркулирующей жидкости через испарительный охладитель. Экспериментально показано, что оптимальными для НИО являются соотношения расходов основного и вспомогательного потоков воздуха lопт = GО / Gвп = 1.0; величина эквивалентного диаметра каналов в "сухой" и "влажной" частях НИО составляет dэ.о = dэ.в = 12 – 30 и является одинаковой для обеих частей тепломасообменного аппарата; в случае использования НИО в составе СОТ РЭА эти значения могут отличаться, что определяется уровнем тепловой нагрузки и особенностями движения воздуха через объем охлаждаемого шкафа с рассредоточенными в нем элементами РЭА.

Рассмотрены многоступенчатые варианты охладителей испарительного типа и показано, что оптимальной является схема в составе последовательно установленных непрямого и прямого испарительных охладителей НИО/ПИО, которая обеспечивает максимальный "выход" основного потока, при минимальных энергозатратах. Бесконтактное охлаждение основного потока в НИО снижает предел испарительного охлаждения для последующей ступени ПИО. Использование прямого испарительного охлаждения на более низком температурном уровне позволяет получить комфортные параметры, не приводя к существенному росту влагосодержания воздуха.

Разработаны СКВ комфортного (БКВ) и технологического назначения БКВ и (СОТ РЭА), в нескольких модификациях, отличающихся типом вентилятора и общей компоновкой СКВ, обеспечивающие номинальную холодопроизводительность 2.0 кВт.

Проведены натурные испытания СКВ комфортного назначения, подтвердившие их высокие характеристики. Для условий высокой влажности разработаны альтернативные охладители