НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

Кузнєцова Олена Олександрівна

УДК 536.24:697.973

ВИКОРИСТАННЯ НЕПРЯМИХ ВИПАРНИХ ПОВІТРООХОЛОДЖУВАЧІВ У ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЯХ

Спеціальність 05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України та Інституті технічної теплофізики НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Пісарев В’ячеслав Євгенович,

Київський національний університет будівництва і архітектури,

професор кафедри теплогазопостачання та вентиляції

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кашурін Олексій Миколайович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

зав. відділом тепломасообміну в композиційних матеріалах

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Білодід Віктор Дмитрович,

Інститут загальної енергетики НАН України,

провідний науковий співробітник відділу оптимізації

структури паливно – енергетичного комплексу

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ” Міністерства освіти

і науки України

Захист відбудеться “22” лютого 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м.Київ-57, вул. Желябова, 2а

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м.Київ-57, вул. Желябова, 2а

Автореферат розіслано “20 ” січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н. Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. В теперішній час у зв’язку з браком традиційних енергоресурсів та погіршенням екологічної ситуації уявляється перспективним використання в різних технічних галузях нетрадиційних відновлюваних джерел енергії.

В якості одного з видів нетрадиційних відновлюваних енергоресурсів може служити термодинамічна нерівновага в системі “вода-повітря”, що характеризується психрометричною різницею температур, яку можна використовувати для виробництва холоду, наприклад, в установках непрямого випарного охолодження повітря. При непрямому випарному охолодженні (якщо установка працює за роздільною схемою) основний потік повітря охолоджується без зміни вологовмісту в поверхневому повітроохолоджувачі, а нагріта в ньому вода віддає своє тепло в градирні за рахунок випаровування в допоміжний потік повітря. В суміщених установках непрямих випарних повітроохолоджувачів основний потік повітря охолоджується сухою поверхнею, яка з іншого боку охолоджується водою, що випаровується в допоміжний потік повітря. В регенеративних непрямих випарних повітроохолоджувачах “відпрацьований” допоміжний потік застосовують для попереднього охолодження нової порції основного потоку повітря. Застосування багатоступеневих схем непрямого випарного охолодження повітря дає змогу знизити температурний рівень охолодженого повітря.

Непрямі випарні повітроохолоджувачі (НВП) отримали певне поширення в системах вентиляції і кондиціювання повітря, тепловологісної обробки повітря в різних теплотехнологіях. Але більш широкому використанню НВП перешкоджає ряд факторів: залежність ефективності роботи повітроохолоджувачів такого типу від початкових параметрів повітря (найбільша ефективність досягається в районах із сухим та жарким кліматом), слабке вивчення процесів тепловологісної обробки повітря в НВП при зниженому тиску, брак даних щодо оптимальних режимів роботи НВП, недостатньо опрацьоване питання використання НВП в енергоощадних теплотехнологіях.

Тому дослідження факторів, які мають вплив на ефективність роботи НВП і в цілому підвищують ефективність теплотехнологічного обладнання, до складу яких входять такі повітроохолоджувачі, є важливою науково-технічною проблемою. Реалізація цієї проблеми надає можливість створити нові ефективні теплотехнології з використанням НВП.

Зв’язок роботи з науковими планами, програмами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт Інституту технічної теплофізики НАН України згідно постанови бюро ОФТПЕ АН України від 3.12.90 р. (протокол №3), постанови бюро ОФТПЕ НАН України від 27.12.94 р. (протокол №9/48), науково-дослідної роботи “Розробити сорбційні методи та пристрої для отримання чистої води з атмосферного повітря та забруднених вод, використовуючи в якості джерел енергії Сонце та термодинамічну нерівновагу в навколишньому середовищі” та науковому напрямку н/н5-03 кафедри теплотехніки, охорони праці та навколишнього середовища Київського національного університету технологій та дизайну “Охорона навколишнього середовища і створення систем захисту людини від шкідливих умов на виробництві” і науково-дослідній роботі “Теоретична розробка та практична реалізація нових енергоресурсозберігаючих технологій на основі тепломасообміних процесів легкої промисловості” (№ держ. реєстрації 0103U000845), 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 та задачі дослідження. Метою дослідження є розробка теплотехнічних основ підвищення ефективності роботи непрямих випарних повітроохолоджувачів у складі теплотехнологічного обладнання.

Об’єкт дослідження – процеси тепловологісної обробки повітря в непрямих випарних повітроохолоджувачах.

Предмет дослідження – використання непрямих випарних повітроохолоджувачів у теплотехнологіях.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Провести теоретичні та експериментальні дослідження процесів тепловологісної обробки повітря в НВП при атмосферному та зниженому тиску повітря, у тому числі процесів попереднього осушення повітря сорбентами, які розроблені в ІТТФ НАНУ. Визначити вплив осушення повітря на ефективність роботи НВП та визначити оптимальні режимні характеристики роботи НВП.

2. Розробити та дослідити нові енергоефективні установки для тепловологісної обробки повітря на основі НВП для підвищення енергетичної ефективності теплотехнологій шляхом вдосконалення процесів тепловологісної обробки повітря, конструкцій теплотехнічних установок та створення на цих засадах енергоефективного обладнання.

3. Дослідити використання нових енергоефективних НВП у складі теплотехнологій.

4. Розробити та спроектувати обладнання для теплотехнологій з використанням запропонованих нових установок НВП.

Теоретичні дослідження виконано на основі теорії тепломасообміну та рівноважної термодинаміки. Експериментальні дослідження проводились на спеціально створених лабораторних стендах із залученням сучасних методів аналізу та апаратури.

Наукова новизна отриманих результатів. Основні положення дисертації, наукова новизна яких захищається:

- на основі аналізу фізичних процесів, які відбуваються при тепловологісній обробці повітря в запропонованих двоступеневих непрямих випарних повітроохолоджувачах отримано аналітичні залежності для розрахунку кінцевих параметрів повітря в таких двоступеневих НВП ?

- отримано нові дані щодо оптимальних режимів роботи непрямих випарних повітроохолоджувачів при зниженому тиску повітря?

- вперше досліджено сумісну роботу НВП з осушувачами повітря на основі сорбентів, розроблених в ІТТФ НАНУ і виявлено характер впливу попереднього осушення повітря на холодопродуктивність НВП?

- запропоновано нові ефективні схеми кондиціювання повітря з використанням НВП?

- вперше розроблено нові теплотехнології підготовки вентилюючого повітря для гіпобаричного сховища сільськогосподарської продукції з використанням НВП?

- запропоновано принципово нові способи отримання прісної води з вологого атмосферного повітря з використанням НВП.

Обґрунтованість та достовірність одержаних в роботі результатів підтверджується добрим узгодженням чисельних розрахунків з власними експериментальними даними та результатами досліджень інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в розробці науково - обгрунтованого використання НВП у теплотехнологіях кондиціювання повітря, отримання прісної води, тепловологісної обробки вентилюючого повітря для гіпобаричного сховища сільськогосподарської продукції тощо.

Визначено оптимальні режими роботи НВП при атмосферному і зниженому тиску повітря.

Розроблено методики розрахунку для запропонованих схем кондиціювання повітря та опріснювачів води. Науково – виробничому комплексу “Клімат” (м. Київ) передано для використання методики розрахунків двоступеневої системи непрямого випарного охолодження повітря та непрямих випарних повітроохолоджувачів з утилізаторами холоду.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень використано при розробці гіпобаричного сховища для зберігання квіткової продукції в господарстві “Квіти Поділля”, м.Хмельницький.

Особистий внесок здобувача. Автору належить теоретичний аналіз процесів, що відбуваються в непрямих випарних повітроохолоджувачах. Автором самостійно проведено експериментальне дослідження роботи двоступеневої системи випарного та непрямого випарного охолодження повітря та виконано аналіз експериментальних результатів. Автором запропоновано новий спосіб отримання прісної води з вологого повітря та нові схеми тепловологісної обробки повітря з утилізаторами холоду допоміжного потоку повітря і виконано детальний аналіз цих нових розробок. Також розроблено методики для розрахунку запропонованих схем кондиціювання повітря та опріснювачів води.

Положення опублікованих у співавторстві з колегами і використаних у дисертації статей та винаходів належить автору на основі рівноправного партнерства.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались та отримали позитивну оцінку на: ІХ Міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв”, вересень 1996 р., м. Одеса? 2-му науково-практичному симпозіумі “Вакуумні технології та обладнання”, листопад 1998р., м.Харків? Міжнародній науково-практичній конференції “Регіональні проблеми енергозаощадження у виробництві та споживанні енергії”, жовтень 1999 р., м.Київ? VІІІ Міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля”, жовтень 2003 р., м.Львів.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опублікована 31 робота, в тому числі 9 статей у наукових журналах і збірниках, 5 депонованих статей, 2 тези доповідей і 2 праці міжнародних конференцій і симпозіума, а також отримано 4 авторські свідоцтва на винахід та 9 патентів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел з 91 найменування та 5 додатків. Повний обсяг дисертації займає 275 сторінок і містить 150 сторінок основного тексту, 96 ілюстрацій та 5 таблиць .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність й важливість роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичну цінність і апробацію результатів роботи, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі виконано аналіз сучасного стану проблеми використання непрямих випарних повітроохолоджувачів у теплотехнологіях.

Непрямі випарні повітроохолоджувачі досліджувалися та розроблялися Кокоріним О.Я., Зусмановичем Л.М., Раяком М.Б., Захаровим Ю.В., Дорошенко О.В., Майсоценко В.С., Цимерманом А.Б. та ін.

У цьому розділі наведено існуючі схеми непрямого випарного охолодження повітря і виконано аналіз щодо їх ефективності. Розглянуто експериментальні дослідження методу непрямого випарного охолодження повітря. Проаналізовано відомі методи розрахунку апаратів непрямого випарного охолодження повітря. Особливу увагу звернено на використання НВП для кондиціювання повітря на сільськогосподарських об’єктах, при зниженому тиску повітря, для опріснення води. Наведено чисельні факти, які свідчать про значне заощадження електроенергії при використанні непрямого випарного охолодження повітря замість традиційних машинних методів охолодження повітря. У багатьох роботах звернено увагу на високу екологічність НВП. Результатом першого розділу є обґрунтування мети та задач дослідження.

У другому розділі наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів непрямого випарного охолодження повітря як при атмосферному, так і при зниженому тиску повітря.

При атмосферному тиску досліджувались процеси, що протікають у двоступеневому випарному повітроохолоджувачі (перший ступінь - непряме випарне охолодження, другий ступінь - адіабатне зволоження повітря) та двоступеневому непрямому випарному повітроохолоджувачі з утилізатором холоду допоміжного потоку повітря першого ступеня. Схема двоступеневого непрямого випарного повітроохолоджувача наведена на рис.1, а на рис.2 на Нd- діаграмі вологого повітря відзначено процеси, які відбуваються з повітрям у повітроохолоджувачі.

Було розглянуто характер процесів тепло- та масопереносу при квазістаціонарних умовах на поверхні контакту в двоступеневих повітроохолоджувачах. Аналіз процесів тепло- та масопереносу базувався на розгляді класичних рівнянь тепломасопереносу і тепловологісних балансів середовищ та відображає особливості явищ конкретної задачі. Під час аналізу процеси в окремих складових повітроохолоджувачів розглядались у комплексі.

У результаті теоретичного аналізу процесів тепломасопереносу отримано залежності для обчислювання кінцевих температур основного потоку повітря в двоступеневих повітроохолоджувачах.

Для двоступеневого випарного повітроохолоджувача залежність для обчислювання кінцевої температури tк основного потоку повітря має вигляд:

tk =[t1 – E1(t1 – tw)](1 – E2)+E2t2м, (1)

де Е1, Е2 - коефіцієнти теплотехнічної ефективності першого та другого ступеня повітроохолоджувача, t1- початкова температура повітря, t2м- температура основного потоку повітря за мокрим термометром на виході з першої ступені, tw - температура циркулюючої води в першій ступені.

Для коефіцієнтів Е1 і Е2 отримано аналітичні залежності:

, (2)

, (3)

де к – коефіцієнт теплопередачі від основного потоку Go до плівки води в першому ступені? б - коефіцієнт тепловіддачі від основного потоку повітря до плівки води в другому ступені? F1,F2 - площа теплообмінної поверхні, відповідно, першого та другого ступеня? ср1, ср2 – ізобарна масова теплоємність при середній температурі основного потоку повітря в першому і другому ступені? t2 - температура основного потоку повітря на виході з першого ступеня? N1, N2 – числа одиниць переносу теплоти, відповідно, в першому та другому ступені.

Для визначення кінцевої температури повітря, охолодженого в двоступеневому непрямому випарному повітроохолоджувачі, отримана залежність:

, (4)

де tщ1, tщ2 – температури циркулюючої води, відповідно, в першому та другому ступені.

Коефіцієнти теплотехнічної ефективності першого та другого ступеня Е1 та Е2 в даному випадку мають вираз :

; , де k1 , k2 - коефіцієнти теплопередачі від основного потоку повітря до плівки води, відповідно, в першому та другому ступені.

Температури плівки води tщ, tщ1, tщ2 можна розрахувати за відомими з літератури формулами.

Для оцінки ступеня охолодження повітря в запропонованих каскадних повітроохолоджувачах та підтвердження результатів теоретичного дослідження було проведено дослідження експериментальні. Дослідження охолодження повітря було виконано на експериментальному стенді, який складався з блоку підготовки початкових параметрів повітря, системи заміру параметрів повітря та циркулюючої води і безпосередньо експериментального модуля (суміщеного непрямого випарного теплообмінника та теплообмінника прямої випарної дії у разі дослідження двоступеневого випарного повітроохолоджувача і двох суміщених непрямих випарних теплообмінників та утилізатору холоду у вигляді поверхневого протитечійного теплообмінника у разі дослідження двоступеневого непрямого випарного повітроохолоджувача).

Замір та контроль температур потоків повітря здійснено в місцях входу та виходу потоків повітря в окремі складові експериментального модуля за допомогою лабораторних термометрів із ціною поділів 0,10С. Витрати повітряних потоків визначали шляхом вимірювання різниці повного та статичного тисків за допомогою питометричних трубок на мікроманометрі. Температуру циркулюючої води на вході та виході з непрямих випарних теплообмінників вимірювали за допомогою хромель-алюмелевих термопар. ЕДС термопар регіструвалася за допомогою потенціометра ПП-63 з класом точності 0,05. Витрату циркулюючої води визначали ротаметрами з класом точності 2,5.

Регулювання підігріву зовнішнього повітря, а також його зволоження здійснювалось зміною електричної потужності електронагрівача і парогенератора.

Регулярні насадки непрямих випарних теплообмінників було виконано з тонких алюмінієвих пластин, які створювали сухі та вологі канали, що чергувалися. Еквівалентний діаметр каналів- dекв=4 мм. Висота пластин- h=400 мм, довжина пластин L=700 мм. Стінки вологих каналів під час проведення експериментів було вкрито плівкою стікаючої води, яку подавав циркулюючий насос. Масова витрата основного і допоміжного потоків складала 5 кг/(м2с).

У таблицях 1,2 наведено значення ступеня охолодження (різниці між початковою температурою та температурою на виході з повітроохолоджувача) основного потоку повітря в двоступеневому випарному повітроохолоджувачі та двоступеневому непрямому випарному повітроохолоджувачі з утилізатором холоду, що отримані як експериментально, так і розрахунковим шляхом за допомогою теоретичних залежностей.

Розрахункові та експериментальні значення, наведені в таблицях, добре збігаються. Для порівняння в таблиці 2 наведено значення ступеня охолодження основного потоку повітря в одноступеневому НВП. З порівняння видно, що двоступенева система з утилізатором холоду забезпечує набагато нижчу температуру охолодженого повітря за однакових початкових умов.

Далі в розділі наведено результати дослідження, що присвячено роботі НВП при зниженому тиску повітря. Особливо підкреслюється той факт, що пропорційно зниженню тиску знижується відносна вологість повітря, а психрометрична різниця температур, навпаки, зростає. Це призводить до інтенсифікації тепломасообмінних процесів у НВП. Аналізуючи балансові рівняння, визначено оптимальні режими роботи різних типів НВП при зниженому тиску повітря. Доведено, що максимального значення холодопродуктивність роздільного регенеративного НВП набуває при деякому певному співвідношенні витрат основного і повного потоків повітря Go/Gп.

На рис. 3 наведено розрахункові залежності холодопродуктивності Q від співвідношення Go/Gп. Згідно розрахункам, максимуму значення Q в регенеративному НВП набуває при співвідношенні Go/Gп=0,45...0,55 ( розрахунки здійснювались для наступних початкових параметрів повітря: температура t=400C, відносна вологість повітря ?=25% при атмосферному тиску). При цьому, зі зниженням тиску значення холодопродуктивності зростає.

На рис.4 наведено розрахункові залежності холодопродуктивності Q суміщеного непрямого випарного повітроохолоджувача від співвідношення витрат основного та допоміжного потоків повітря Go/GД. З рис.4 видно, що в даному разі також спостерігаються максимуми функції Q=f(Go/Gд) (розрахунки зроблено для наступних початкових параметрів повітря: температура t=400C, відносна вологість повітря ?=80% при атмосферному тиску).

Ефективність роботи непрямих випарних повітроохолоджувачів значною мірою залежить від початкових параметрів повітря. Найбільш ефективно такі пристрої працюють в умовах сухого і жаркого клімату. А для забезпечення такими пристроями допустимих параметрів мікроклімату в приміщенні необхідно, щоб вологовміст зовнішнього повітря не перевищував 13 г/кг. Тому важливим є дослідження систем, які обєднують НВП з осушувачами повітря.

В роботі визначено вплив попереднього осушення повітря новими сорбентами, розробленими в ІТТФ НАНУ, на ефективність роботи НВП. Результати дослідження виявили значне підвищення холодопродуктивності регенеративних НВП при попередньому осушенні повітря.

Так, холодопродуктивність регенеративного НВП без попереднього осушення повітря становила 1,52 кВт, з попереднім осушенням повітря сорбентами Na-X – 2,04 кВт, а з попереднім осушенням новими сорбентами LiCl+H2O+неорганічний наповнювач та LiCl+H2O+органічний наповнювач – відповідно, 4,09 кВт та 4,68 кВт. Початкові параметри повітря були однаковими в усіх випадках і становили: температура t=300C, відносна вологість повітря ?=60%. Витрата повного потоку повітря становила G=800 кг/год.

Використання НВП з осушувачами зовнішнього повітря дає змогу поширити кліматичні області використання методу непрямого випарного охолодження повітря.

Третій розділ присвячено розробці і дослідженню роботи нових ефективних НВП у складі теплотехнологій. У цьому розділі наведено результати дослідження нових технологічних схем тепловологісної обробки повітря в гіпобаричних сховищах сільськогосподарської продукції з використанням НВП, проаналізовано нові запропоновані способи опріснення води на базі методу непрямого випарного охолодження і розроблено нові схемні рішення НВП для комфортного кондиціювання повітря.

На нові схемні рішення та конструктивне оформлення НВП, що працюють при зниженому тиску повітря і можуть бути використані в складі гіпобаричного обладнання, отримано авторські свідоцтва №№1670298, 1683555, 1721398 і патент України №12494.

Розглянуто нові схемні рішення опріснювачів води за допомогою НВП. Принцип дії таких опріснювачів полягає в тому, що спочатку два потоки повітря проходять тепловологісну обробку в НВП, при цьому температура одного з потоків стає нижчою за температуру точки роси іншого? далі в результаті теплообміну між потоками в теплообміннику з потоку з більшою температурою починає конденсуватися волога. Виконаний термодинамічний аналіз отримання прісної води з атмосферного повітря за допомогою НВП свідчить, що ефективність таких опріснювачів підвищується при попередньому осушенні чи нагріванні повітря. Так, на рис. 5 та 6 наведено результати термодинамічного аналізу процесів отримання прісної води за допомогою регенеративного НВП при попередньому нагріванні повітря.

На рис.5 наведено залежності кількості отриманої прісної води М, г/кг, від початкових параметрів повітря (початкові параметри визначалися відповідною температурою t та відносною вологістю ?=100%) для різних степенів нагрівання повітря ?t=tнагр – t. А на рис. 6 наведено залежності питомої вологопродуктивності m, г/кДж (тобто кількості сконденсованої прісної води, віднесеної до витрат енергії на попереднє нагрівання повітря) від степені нагрівання повітря ?t (від температури t і ?=100% до температури нагрівання tнагр). Залежності демонструють зростання питомої вологопродуктивності при збільшення попереднього нагрівання повітря.

Розглянуто новий спосіб отримання прісної води з вологого атмосферного повітря та виконано його аналіз. На рис. 7 зображено схему опріснювача води, який працює за новим способом, на рис.8 на Нd-діаграмі вологого повітря зображено процеси тепловологісної обробки повітря в цьому опріснювачі, а на рис. 9 наведено розрахункові залежності кількості сконденсованої в опріснювачі вологи в залежності від співвідношення витрат потоків.

Суть способу полягає в наступному (розглянуто ідеальні процеси, зволоження повітря відбувається до відносної вологості ?=100%). Потік повітря G2 зволожується і охолоджується у вологих каналах НВП 1, а потік повітря G1 спочатку охолоджується без зміни вологовмісту в сухих каналах НВП 1, а потім адіабатно зволожується в камері 2. Далі обидва потоки надходять до поверхневого теплообмінника-конденсатора 3. При цьому температура потоку G1 нижча за температуру точки роси потоку G2. В процесі теплообміну між двома потоками з потоку G2 конденсується волога, яка відводиться до ємності для збирання прісної води 4. На зволоження потоків повітря G1 i G2 може бути використана засолена чи забруднена вода, що є непридатною для споживання.

За однакових початкових параметрів повітря, продуктивність опріснювача води зростає зі збільшенням співвідношення потоків G1/G2 (рис.9). Продуктивність опріснювача води значною мірою залежить від початкових параметрів повітря. При однаковій початковій температурі t1 і однаковому співвідношенні G1/G2 продуктивність опріснювача збільшується зі зменшенням початкового вологовмісту d1. При однакових значеннях d1 і G1/G2 продуктивність опріснювача зростає зі збільшенням початкової температури t1.

Було виконано порівняння витрат енергії для отримання одного літра прісної води в звичайних промислових установках (термічне опріснення) та за допомогою запропонованого способу. При термічному опрісненні витрати складають не менше 0,7 кВт•год., а за новим способом - 0,08 кВт•год.

На нові розробки для отримання прісної води на базі НВП отримано патенти України №№ 9508, 10634.

Ціль розробки нових схемних рішень непрямих випарних повітроохолоджувачів полягала в зниженні температурного рівня корисного потоку повітря, що охолоджується в цих пристроях. Як відомо, чим нижчою є температура циркулюючої води в поверхневому теплообміннику роздільного НВП, тим нижчим є температурний рівень охолодженого в НВП повітря. Для зниження температури води необхідно знижувати температуру за мокрим термометром допоміжного потоку повітря, який продувається через градирню. Враховуючи вище наведене, автором розроблені нові схеми одно- та двоступеневих НВП з утилізаторами холоду відпрацьованого допоміжного потоку повітря. Нова порція потоку повітря охолоджується в утилізаторі відпрацьованим допоміжним потоком, при цьому температура за мокрим термометром нової порції повітря знижується, що призводить до зниження температурного рівня циркулюючої води і, як наслідок, температури основного потоку повітря на виході з установки. Схемні рішення наведено на рис.10, 11, і 12.

Для схеми (рис.10) було зроблено розрахунки (за методикою автора) для визначення температури охолодженого повітря. Початкові параметри повітря були наступними: t1=380C, t1м=20,50С. За розрахунком кінцева температура охолодженого основного потоку повітря складала 240С. За умови відсутності утилізатору холоду температура охолодженого повітря становитиме лише ?270С.

Для тих самих початкових умов виконано розрахунок для схеми на рис.11. Температура охолодженого основного потоку повітря в цьому разі складала вже 20,50С. Без утилізатору повітря можна охолодити до ?23,80С.

Необхідно відмітити, що хоча в схемі на рис.11 досягається більш низька температура охолодженого повітря, ніж в схемі на рис.10, вона більш матеріалоємна і витратна.

В схемі на рис.12 використовується регенерація холоду охолодженого повітря двічі. Спочатку допоміжний потік повітря утворюється із частини охолодженого основного потоку повітря, а потім “відпрацьований” допоміжний потік повітря охолоджує нову порцію основного потоку повітря в утилізаторі 3. Подвійна регенерація холоду сприяє отриманню більш низької температури охолодженого повітря і заощадженню енергоресурсів.

Для оцінки енергетичної досконалості процесів охолодження повітря було вибрано показник у формі відношення холодопродуктивності до електричної потужності, що споживається системою холодопостачання. Для режимів охолодження повітря з використанням холодильних машин цей показник не перевищує 3 кВт/кВт. А для наведених на рис.10, 11 і 12 схем цей показник , як показали розрахунки, може досягати 8 кВт/кВт (цей показник підвищується при зростанні психрометричної різниці температур зовнішнього повітря).

Автором виконано розрахунки витрат енергії на холодопостачання систем кондиціювання повітря (СКВ) для двох схем обробки повітря: з використанням холодильної машини і з використанням двоступеневого НВП (рис. 13). При цьому в градирню другого ступеня НВП надходить витяжне повітря з приміщення. Розрахунки зроблено для наступних параметрів зовнішнього повітря: температура t=340C, вологовміст d=11 г/кг. Теплові надлишки в приміщенні становили 60 кВт. Результати розрахунків наведено в таблиці 3. Як свідчать розрахунки, в СКВ з використанням двох НВП витрати енергії є нижчими, ніж у СКВ з використанням холодильної машини. Окрім цього, СКВ з використанням двох НВП має більш низькі капітальні витрати.

Було проаналізовано можливість застосування методу непрямого випарного охолодження повітря для цілей комфортного кондиціювання повітря. Зроблено розрахунки для окремих населених пунктів світу (переважно для пунктів із сухим і жарким кліматом, а також для окремих населених пунктів України). В таблиці 4 наведено розрахункові значення параметрів повітря, охолодженого в двоступеневому НВП з утилізатором холоду (рис.11). Розрахунки доводять, що температура і вологовміст охолодженого повітря дозволяють підтримувати в приміщенні допустимі за санітарними нормами параметри мікроклімату.

Досліджено роботу НВП у складі сушарок сільськогосподарської продукції і обладнання для термообробки сировини. Перевагою таких установок є їх екологічність та низьке споживання електроенергії. На ряд розробок отримано патенти України №№ 36058, 36059, 36062, 36066.

В четвертому розділі наведено приклади практичного використання результатів роботи.

Так, для господарства “Квіти Поділля” (м. Хмельницький) розроблено гіпобаричне сховище сільськогосподарської продукції. До складу установки входить НВП, у розрахунку і проектуванні якого приймав участь автор. Спеціальні параметри середовища в сховищі (температура – 0…20С, відносна вологість повітря ?100%, абсолютний тиск середовища – 10000…20000 Па) дозволяють суттєво подовжити термін зберігання продукції зі збереженням її якості.

Наведено варіанти конструктивного оформлення НВП. Запропоновано дві конструктивні розробки НВП: із фітильним зволоженням пластин та з верхнім подаванням води.

Отримано аналітичний вираз для визначення оптимальних режимних характеристик роздільного регенеративного НВП, що працює при атмосферному тиску. Розрахунки, виконані для наступних початкових параметрів повітря: t=26…340C і d=6…11 г/кг, свідчать, що оптимальне співвідношення витрат повітряних потоків знаходиться в межах Go/Gп=0,549...0,554.

Також наведено методики для розрахунку двоступеневого непрямого випарного охолодження повітря і розрахунку кількості прісної води, отриманої з повітря з використанням двоступеневого випарного охолодження повітря. Методики розрахунку двоступеневих НВП та НВП з утилізаторами холоду передані для подальшого практичного використання науково – виробничому комплексу “Клімат” (м. Київ).

ВИСНОВКИ

1. Використання непрямих випарних повітроохолоджувачів у теплотехнологіях забезпечує екологічну чистоту та заощадження енергії. Використання НВП у системах кондиціювання повітря забезпечує отримання комфортних або необхідних технологічних параметрів повітря.

2. Виконано теоретичні та експериментальні дослідження роботи двоступеневого випарного та двоступеневого непрямого випарного з утилізатором холоду відпрацьованого допоміжного потоку повітроохолоджувачів. На засаді теоретичних досліджень процесів обміну тепла та маси отримано залежності для визначення коефіцієнтів теплотехнічної ефективності цих повітроохолоджувачів. Використовуючи ці залежності, можна визначити параметри повітря на виході з повітроохолоджувачів у залежності від початкових параметрів повітря, площі теплообмінної поверхні та масової витрати потоків. Для визначення ступеня охолодження повітря в запропонованих двоступеневих повітроохолоджувачах та підтвердження отриманих теоретичних залежностей було проведено експериментальні дослідження. Отримані експериментальні значення та розрахункові добре збігаються. Степень охолодження повітря в запропонованих двоступеневих НВП виявився значно більшим, ніж в одноступеневому НВП і їх доцільно використовувати для цілей комфортного кондиціювання.

3. Ефективність охолодження повітря в НВП зростає зі зниженням тиску, тому що пропорційно зниженню тиску зменшується відносна вологість повітря, а психрометрична різниця температур, навпаки, зростає. На засадах теоретичного аналізу визначено оптимальні режими роботи НВП при зниженому тиску. Визначено, що максимальної холодопродуктивності НВП при зниженому тиску повітря досягають при співвідношенні основного та повного потоків повітря Go/Gп =0,45...0,55. На засадах аналізу балансових рівнянь визначено максимальну температуру охолодження повітря в роздільному регенеративному НВП при зниженому тиску допоміжного потоку повітря.

4. Результати дослідження впливу попереднього осушення повітря перед регенеративними НВП за допомогою нових сорбентів, розроблених в ІТТФ НАНУ, свідчать, що при попередньому осушенні повітря холодопродуктивність повітроохолоджувачів значно зростає. При спільній роботі НВП з осушувачами повітря є можливість їх використання в усіх кліматичних умовах.

5. Запропоновано нові способи опріснення води за допомогою НВП. Термодинамічний аналіз процесів опріснення води за допомогою НВП показав, що ефективність процесів опріснення зростає при попередньому осушенні чи нагріванні повітря.

6. Розроблено нові схемні рішення одно- та двоступеневих НВП з утилізаторами холоду відпрацьованого допоміжного потоку повітря. Такі повітроохолоджувачі є екологічними, ресурсозберігаючими пристроями і забезпечують параметри припливного повітря, які є достатніми для підтримки комфортних параметрів мікроклімату. Для цілей комфортного кондиціювання також розроблено схему двоступеневого НВП, у градирню другої ступені якого потрапляє витяжне повітря з приміщення. Техніко-економічний аналіз цієї схеми та традиційних схемних рішень показав переваги першої. Використання розроблених каскадних схем НВП повинно бути зорієнтовано на вирішення конкретної задачі в кожному окремому випадку.

7. НВП перспективно використовувати в пристроях для термообробки сільськогосподарської продукції. Розроблені схемні рішення сушарок на базі НВП характеризуються екологічною чистотою та низьким споживанням енергії.

8. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження процесів непрямого випарного охолодження, а також нові схемні рішення та конструктивне оформлення НВП у сукупності створюють основу для розробки та розрахунку нових ефективних теплотехнологій, до складу обладнання яких входять НВП.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в наступних працях:

1. Кузнєцова О.О. Використання утилізаторів холоду в установках кондиціювання повітря з непрямими випарними повітроохолоджувачами// Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – 2004. - № 3. – С.38 – 42.

2. Снежкин Ю.Ф., Наумов С.Ю., Чалаев Д.М., Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Исследование процессов осушки воздуха для регенеративных косвенно-испарительных воздухоохладителей// Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання .- 2002. - Вип. 4. - С.12-17.

(Особистий внесок – аналіз впливу попереднього осушування повітря на ефективність роботи і холодопродуктивність непрямих випарних повітроохолоджувачів).

3. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Характеристики регенеративного косвенно-испарительного воздухоохладителя при пониженном давлении среды// Известия ВУЗов и энергетических объединений СНГ. Энергетика. – 1994. - №№ 1-2.-С.83-86.

(Особистий внесок – термодинамічний аналіз роботи НВП при зниженому тиску повітря).

4. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Оптимальные режимы работы косвенно-испарительного оздухоохладителя при пониженном давлении среды// Известия ВУЗов и энергетических объединений СНГ. Энергетика .- 1997.- №№ 9,10. - С.58-60.

(Особистий внесок – термодинамічний аналіз роботи НВП та визначення оптимальних режимних характеристик НВП).

5. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Использование регенеративных косвенно-испарительных воздухоохладителей при кондиционировании воздуха с осушкой// Известия ВУЗов и энергетический объединений СНГ. Энергетика. - 2000. - № 4.- С.73-77.

(Особистий внесок – порівняльний аналіз тепловологісної обробки повітря традиційними способами та за допомогою НВП).

6. Gorski J, Pisarev V., Kuznecova E. Ochladzenie powietrza z regeneracyjnym odparowaniem posrednim przy cisnieniu nyzszym od atmosferycznego// Chlodnictwo і klimatyzacja.- 2002.- № 8.- S.6-10 (Польща).

(Особистий внесок – термодинамічний аналіз роботи НВП при зниженому тиску, розробка нових схемних рішень для НВП, що працюють при зниженому тиску середовища).

7. Gorski J, Pisarev V., Kuznecova E. Technologia osuszania powietrza oraz regeneracyjnego ochladzania metoda posredniego odparowania// Chlodnictwo і klimatyzacja.- 2003.- № 6.- S.53-56 (Польща).

(Особистий внесок – порівняльний аналіз тепловологісної обробки повітря різними способами).

8. Пісарев В.Є., Кузнєцова О.О. Опріснення води за допомогою непрямих випарних повітроохолоджувачів// Винахідник і раціоналізатор.- 1999.- №№ 1,2.- С.21.

(Особистий внесок – досліджено вплив факторів, що підвищують ефективність роботи опріснювачів води, до складу яких входять НВП).

9. Чалаєв Д.М., Толстих І.П., Пісарев В.Є., Кузнєцова О.О. Підвищення продуктивності опріснювача води регенеративного непрямого принципу дії// Винахідник і раціоналізатор.- 1999.- №№ 1,2.- С.8.

(Особистий внесок – аналіз факторів, які впливають на продуктивність опріснювача води регенеративного непрямого принципу дії, розробка схемного рішення опріснювача).

10. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха: А.с. 1670298 СССР, МКИ F24/F3/14/ В.Е.Писарев, В.Г.Педанов, Е.А.Кузнецова (СССР).- №4631439/29; Заявлено 04.01.89; Опубл. 15.00.91, Бюл.№ 30.- 4 с.ил.

(Особистий внесок – термодинамічний аналіз процесів тепловологісної обробки повітря в запропонованій установці).

11. Установка для охлаждения воздуха: А.с. 1682724 СССР, МКИ F24F3/14/ В.Е.Писарев, С.Е.Наумов, Е.А.Кузнецова (СССР).- №4763101/29; Заявлено 29.11.89; Опубл.07.10.91, Бюл. № 37.- 3 с.ил.

(Особистий внесок – побудова на Нd-діаграмі процесів тепловологісної обробки повітря в установці, конструктивний розрахунок).

12. Установка для гипобарического хранения сельскохозяйственной продукции: А.с.1683555 СССР, МКИ А01F25/00, F25D17/06/ В.Я.Журавленко, В.Е.Писарев, Е.А.Кузнецова (СССР).- №4703595/13; Заявлено 14.06.89; Опубл. 15.10.91, Бюл. № 38.- 3 с.ил.

(Особистий внесок – аналіз тепловологісних процесів, що відбуваються в установці, розрахунок параметрів охолодженого повітря).

13. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха: А.с. 1721398 СССР, МКИ F24F3/14/ В.Е. Писарев, Е.А. Кузнецова (СССР).- №4843002/29; Заявлено 26.06.90; Опубл. 23.03.92, Бюл. № 11.-3 с.ил.

(Особистий внесок – розробка конструкційних особливостей установки).

14. Патент 49520 Україна, МКИ В65D90/28, F28D5/00. Система для зберігання нафтопродуктів/ Луцик Р.В., Пісарев В.Є., Кузнєцова О.О., Ісаєнко Р.К.-№2001128787, Заявлено 18.11.01, Опубл. 16.09.02, Бюл.№ 9.

(Особистий внесок – аналіз процесів тепловологісної обробки повітря ).

15. Патент 9508 Україна, МКИ C02F1/04.Опріснювач води/ Соколов О.О., Пісарев В.Є., Кузнєцова О.О.- №94031772, Заявлено 02.03.94, Опубл. 30.09.96, Бюл.№ 3.- 7 с.іл.

(Особистий внесок –розробка методики розрахунку опріснювача води, аналіз роботи опріснювача води).

16. Патент 10634 Україна, МКИ C02F1/04.Спосіб опріснення води/ Кузнєцова О.О., Пісарев В.Є.- №94031773, Заявлено 02.03.94, Опубл. 25.12.96, Бюл.№4.- 3 с.іл.

(Особистий внесок- запропоновано новий спосіб опріснення води).

17. Патент 12494 Україна, МКИ F24F3/14. Установка для охолодження повітря/ Пісарев В.Є., Кузнєцова О.О.- №93101301, Заявлено 28.05.93, Опубл.228.02.97, Бюл. №1.- 4 с.іл.

(Особистий внесок – аналіз процесів обробки повітря в установці при зниженому тиску).

18. Патент 36057 Україна, МКИ А01G9/24. Теплиця/ Пісарев В.Є., Кузнєцова О.О.- №991105897, Заявлено 28.10.99, Опубл. 16.04.01, Бюл.№3.- 3 с.іл.

(Особистий внесок – аналіз роботи НВП у складі теплотехнологічного обладнання).

19. Патент 36058 Україна, МКИ F25D3/00, F25D31/00. Пристрій для термообробки продукції/ Снєжкін Ю.Ф., Чалаєв Д.М., Шаврін В.С., Пісарев В.Є., Кузнєцова О.О.- №99105898, Заявлено 28.10.99, Опубл.16.04.01, Бюл.№3.-3 с.іл.

(Особистий внесок – аналіз роботи НВП у складі теплотехнологічного обладнання).

20. Патент 36059 Україна, МКИ F25D3/00, F25D31/00. Пристрій для термообробки продукції/ Снєжкін Ю.Ф., Чалаєв Д.М., Шаврін В.С., Пісарев В.Є., Кузнєцова О.О.- №99105899, Заявлено 28.10.99, Опубл.16.04.01, Бюл.№3.- 2 с.іл.

(Особистий внесок – аналіз роботи НВП у складі теплотехнологічного обладнання).

21. Патент 36062 Україна, МКИ F26B3/06,F24J2/28.Сушарка/Писарєв В.Є., Шурчков А.В., Снєжкін Ю.Ф.,Кузнєцова О.О.- №99105905, Заявлено 28.110.99, Опубл.16.04.01, Бюл.№3.-2 с.іл.

(Особистий внесок – запропоновано для зниження споживання енергії сушаркою включити до її складу НВП).

22. Патент 36066 Україна, МКИ F26D3/06,F24J2/28. Обладнання для сушіння термолабільної сировини/ Писарєв В.Є., Снєжкін Ю.Ф., Кузнєцова О.О.- №99105912, Заявлено 28.10.99, Опубл.16.04.01, Бюл.№ 3.- 4 с.іл.

(Особистий внесок – аналіз процесів тепловологісної обробки повітря в установці).

23. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Косвенно-испарительное охлаждение воздуха в гипобарическом хранилище сельскохозяйственной продукции. Холодопроизводительность раздельного косвенно-испарительного воздухоохладителя при пониженням давлении среды/ Известия ВУЗов СССР. Энергетика.- Минск, 1989.- 12с. Деп. в ВАСХНИЛагропром 14.11.90, №5722-В90.

(Особистий внесок – дослідження процесів, що відбуваються в НВП різних типів і розробка методики розрахунку холодопродуктивності НВП при зниженому тиску повітря).

24. Писарев В.Е., Педанов В.Г., Кузнецова Е.А. Исследование увлажнителя воздуха с насадкой из мипластовых пластин при пониженном давлении среды применительно к гипобарическому хранению сельскохозяйственной продукции/ Ред. ж. “Известия ВУЗов СССР. Энергетика.- Минск, 1990.- 16с. Деп. в ВАСХНИЛ, №501 ВС-90 Деп.

(Особистий внесок –проведення експериментів, аналіз результатів дослідження).

25. Писарев В.Е.. Кузнецова Е.А. Косвенно-испарительное охлаждение воздуха при пониженном давлении/ Ред. ж.”Известия ВУЗов СССР. Энергетика.- Минск,1989.- 13с. Деп. в ВАСХНИЛ 14.11.90, №5722-В90.

(Особистий внесок – аналіз схемних рішень для реалізації процесів непрямого випарного охолодження повітря при зниженому тиску).

26. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Косвенно-испарительное охлаждение воздуха в системах кондиционирования гипобарических хранилищ при пониженном давлении вспомогательного потока воздуха/ Ред. ж. ”Известия ВУЗов. Энергетика.- Минск, 1991.-12с. Деп. в ВИНИТИ 15.07.92, №2326-В92.

(Особистий внесок – розробка різних схемних рішень систем кондиціювання гіпобаричних сховищ продукції).

27. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Анализ метода регенеративного косвенно-испарительного охлаждения воздуха при пониженням давлении вспомогательного потока воздуха/ Інститут технической теплофизики НАН Украины.- Киев, 1993.-22с. Деп. в УкрИНТЭИ 09.03.93, №387-Ук93.

(Особистий внесок – визначення теоретично можливої межі охолодження повітря в НВП при зниженому тиску допоміжного потоку повітря).

28. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Регенеративное косвенно-испарительное охлаждение воздуха при пониженням давлении вспомогательного потока воздуха// Тези доповідей ІХ Міжнародної конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв”.- Одеса. – 1996.

(Особистий внесок – термодинамічний аналіз тепловологісної обробки повітря в регенеративному НВП при зниженому тиску допоміжного потоку повітря).

29. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Оптимальные режимы работы раздельного регенеративного косвенно-испарительного воздухоохладителя// Труды 2-го научно-практическго симпозиума “Вакуумные технологии и оборудование”.- Харьков. – 1998. – С. 48-49.

(Особистий внесок – на підставі аналізу балансових рівнянь отримано значення холодопродуктивності НВП в залежності від співвідношення витрат потоків, визначені оптимальні режимні характеристики).

30. Писарев В.Е., Кузнецова Е.А. Опреснение воды с помощью косвенно-испарительных воздухоохладителей// Тезисы докладов международной научно-практической конференции “Региональные