одесЬка ДЕРЖАВНА академІя холодУ

ГорІн Олександр МиколаЙОвич

удк 536.248.2: 532.529.5

АльтернативнІ системИ охОЛОДЖЕННЯ

і кондиціонування повітря з використанням

випарного охолодження

Спеціальність

05.05.14 – “Холодильна та кріогенна техніка, системи кондиціонування”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса - 2007

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: д. т. н., професор, заслужений діяч науки і техніки України

Чепурненко Віктор Павлович,

професор кафедри холодильних установок Одеської державної академії холоду МОН України

Офіційні опоненти: д.т.н., професор

Кирилов Володимир Харитонович,

зав. кафедрою інформаційних технологій

Одеського національного морського університету МОН України;

д.т.н. професор

Ткаченко Станіслав Йосипович,

зав. кафедрою теплоенергетики

Вінницького національного технічного університету МОН України;

д.т.н., професор

Скрипніков Веніамін Борисович,

професор кафедри опалення, вентиляції і якості повітряного середовища

Придніпровської державної академії будівництва та архітектури МОН України

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет МОН України

Захист дисертації відбудеться 21.05.2007 року о _13___ годині в ауд. 108 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.087.01 в Одеській державній академії холоду за адресою: вул. Дворянська, 1/3, м. Одеса, 65082, Україна

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ОДАХ за адресою: вул. Дворянська, 1/3, м. Одеса, 65082, Україна

Автореферат розісланий 14.04.2007 року

Вчений секретар спеціалізованої ради

д.т.н., професор Мілованов В.І

ЗАГАЛЬНА характеристика роботи

Актуальність теми. Взаємопов’язані проблеми енергетики та екології, що поглиблюються, висувають нові вимоги до холодильних систем і систем комфортного та технологічного кондиціонування повітря, в першу чергу, зниження енерговитрат і антропогенного впливу на навколишнє середовище. До найбільш перспективного і довгострокового рішення цих проблем відноситься створення альтернативних систем на основі нетрадиційних джерел енергії та випарних методів охолодження середовищ. Широке практичне використання випарних методів у холодильній техніці та системах кондиціонування повітря (СКП) вимагає вирішення принципових питань: розширення кліматичної області використання самих методів, підвищення компактності і зниження енергоспоживання тепломасообмінних апаратів (ТМА), що входять у такі системи. Найбільш перспективно включення випарних охолодників у склад випарно-парокомпресійних систем (двохступеневі охолодники з використанням випарного охолодника на першому ступені і парокомпресійного на другому) і сонячних холодильних систем (осушувально-випарних, основаних на відкритому абсорбційному циклі і сонячній регенерації абсорбентів).

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно із законодавчими актами: Постанови Верховної Ради України №75/94-ВР від 1.07.94 р. що затвердила “Закон України про енергозбереження”, 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 ООН про зміну клімату”, Галузевої науково-технічної програми сталого розвитку побутової техніки в Україні на 2006-2011 роки (наказ Мінпромполітики України від 03.03.2006р. № 85).

Ціль і задачі дослідження. Ціллю роботи є удосконалення холодильних і кондиціонуючих систем на основі використання у них методів випарного охолодження середовищ, що забезпечує зниження енерговитрат і покращення екологічних характеристик. Для її досягнення необхідні: розробка нових схемних рішень і удосконалення апаратів випарного охолодження, для використання, як в автономному вигляді так і у складі випарно - парокомпресійних та осушувально-випарних систем; створення уніфікованої компактної тепломасообмінної апаратури (випарного охолодника, абсорбера - осушувача, десорбера-регенератора), що забезпечує мінімізацію енерговитрат на рух теплоносіїв; моделювання робочих процесів з урахуванням особливостей плівкових течій у ТМА; створення основ інженерного розрахунку альтернативних систем; проведення експериментального дослідження альтернативних систем: випарних охолодників, комбінованих випарно - парокомпресійних та осушувально - випарних систем, і одержання залежностей і рекомендацій, що забезпечують розрахунок і конструювання альтернативних СКП та холодильних систем (ХС); екологічне обґрунтування нових рішень.

Стосовно до випарно - парокомпресійних систем: розробка схемних рішень на основі сумісної роботи випарного охолодника і парокомпресійної холодильної машини (ХМ), що забезпечує раціональне сполучення природних і штучних методів охолодження; зниження витрати води на підживлення випарного контуру непрямого випарного охолодника (НВО); зниження енерговитрат і покращення екологічних характеристик комбінованих систем. Стосовно до сонячних осушувально-випарних систем: розробка схемних рішень на основі відкритого абсорбційного циклу (АБС.) із сонячною регенерацією абсорбенту; підбор робочих тіл (композитів), що забезпечують високу поглинаючу здатність, при мінімальному несприятливому впливі на конструкційні матеріали; створення ефективного нагрівального контуру для регенерації абсорбенту, що пов’язано, в першу чергу, з розробкою ефективних сонячних колекторів, здатних забезпечити температурний рівень регенерації абсорбенту, який потрібен.

Об’єктом дослідження є альтернативні системи охолодження і кондиціонування повітря. Предметом дослідження є процеси тепломасообміну в альтернативних системах.

Методи дослідження: теоретичне вивчення, експериментальне дослідження на натурних зразках тепломасообмінних апаратів ТМА.

В дисертації захищаються наукові положення:

1. Використання випарних охолодників у складі випарно - парокомпресійних (як першого ступеня охолодника) і осушувально - випарних (на основі відкритого абсорбційного циклу і сонячної регенерації абсорбенту, - як холодильної частини) систем дозволяє зняти кліматичні обмеження щодо використання випарних методів і істотно покращити енергетичні (в порівнянні з традиційними парокомпресійними системами забезпечується зниження енерговитрат на 30-60%) та екологічні показники альтернативних систем.

2. Загальній екологічний вплив альтернативної системи складає до 65% від впливу традиційної системи; найбільший вплив призводиться під час експлуатації системи (близько 80% від внеску за весь життєвий цикл), внесок у загальний екологічний вплив періоду виробництва складає близько 20%, а внесок періоду утилізації незначний – біля 0.1%; час повернення енергії суттєво залежить від матеріалів, які використовуються в конструкції апаратів і сценарію рециркуляції, що використовується (стадії переробки відходів).

Наукова новизна роботи визначається наступними результатами:

Показано, що включення випарних охолодників у склад випарно-парокомпресійних (НВО/ХМ) і сонячних осушувально - випарних систем (НВО/АБС.) дозволяє зняти кліматичні обмеження щодо використання випарних методів і істотно покращити енергетичні та екологічні показники альтернативних систем.

Випарні охолодники. Виконано моделювання процесів тепломасопереносу при випарному охолодженні з урахуванням термічних опорів фаз, особливостей течії і сталості рідинної плівки; значення меж протікання процесів при випарному охолодженні визначаються комплексом величин: = f (, , ); = f (, , ), в першу чергу, величиною (для НВО ); теоретично і експериментально встановлено вплив регулярної шорсткості (РШ) поверхні на інтенсифікацію процесів, знайдено оптимальні значення параметра шорсткості k = p/e; оптимальне співвідношення потоків в НВО складає = 1.0, діапазон оптимальних значень = 20–25 мм; показано, що число ступенів у каскаді охолодників НВО/НВО не повинно перевищувати двох і що оптимальною є схема охолодника у складі НВО/ПВО.

Випарно - парокомпресійні охолодники. Об’єднання НВО і ХМ в єдину систему дозволяє знизити витрати води на підживлення у НВО; при відносній вологості 35–45% втрати на випарювання можуть бути компенсовані повністю; результати зіставлення випарно - парокомпресійного кондиціонера (у першому ступені НВО та у другій даховий кондиціонер CAAE/CAEN – 31) із кондиціонером CAAE/CAEN – 51, показали, що комбінована схема дозволяє знизити встановлену потужність компресора та забезпечує зниження температури конденсації.

Осушувально - випарні охолодники. Для сонячних АСКП явно виражена залежність величини СОР від температури води, що охолоджує абсорбер; зростання холодопродуктивності систем неминуче приводить до зростання температури регенерації абсорбенту; розроблені схемні рішення АСКП, у яких виключається прямий контакт абсорбенту и повітря, що подається у приміщення; розроблена уніфікована тепломасообмінна апаратура, основана на принципі суміщення декількох робочих процесів у єдиному ТМА, що забезпечує зниження енерговитрат і габаритів альтернативних систем, а також на широкому використанні полімерних матеріалів; для широкого діапазону початкових параметрів повітря (= 13–25 г/кг, = 20–45 °С) попереднє осушування дозволяє знизити його вологовміст до значення < 13г/кг, що забезпечує можливість одержання комфортних параметрів повітря тільки методами випарного охолодження; оцінка робочих тіл (абсорбентів) на основі LiBr, показала їх принципову придатність для рішення задач охолодження кондиціонування, орієнтовний робочий діапазон концентрацій складає 70–75%; АСКП, що основана на осушувально - випарному циклі, забезпечує значне зниження енерговитрат (30–60%).

Екологічна оцінка альтернативних систем. Вперше у вітчизняній практиці (відносно об’єму і технічного застосування вперше у європейській практиці) виконано екологічний аналіз альтернативних рішень в області холодильних і кондиціонуючих систем з використанням методології і бази даних “Повний життєвий цикл” (Life Cycle Assessment, міжнародні стандарти ISO (14040, 14041, 14042 и 14043, “eco-indicator 99”, база даних програми “SimaPro-6”); АСКВ (НВО/ХМ) приводить до меншого виснаження природних ресурсів (в тому числі, енергоресурсів), ніж традиційна СКП, вона вносить менший внесок у глобальну зміну клімату; найбільший вплив на довкілля призводиться під час експлуатації системи; внесок періоду виробництва складає близько 20% від внеску за весь життєвий цикл, а внесок періоду утилізації незначний; загальний екологічний вплив для альтернативної системи складає всього 65% від цього ж впливу для традиційної системи; вибір АСКП по двох критеріях, що аналізуються (вплив на виснаження природних ресурсів і внесок у глобальне потепління), сприяє реалізації Закону України про енергозбереження і Кіотського протоколу, спрямованого на зниження емісії парникових газів.

Достовірність наукових положень і результатів підтверджуються результатами експериментально-розрахункових досліджень, добрим якісним і кількісним узгодженням одержаних результатів з існуючими даними.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці практичних рекомендацій по розрахунку і конструюванню альтернативних систем АХС і АСКП. Матеріали дисертаційного дослідження використовуються в навчальному процесі на кафедрі технічної термодинаміки ОДАХ в курсі лекцій і практичних занять по нетрадиційній енергетиці і на кафедрі холодильної і торгової техніки Дон ДУЕТ у 2004 - 2006 роках.

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем розроблено принципи побудови альтернативних систем і виконано розробку схемних рішень альтернативних систем і ТМА, цикл експериментально - розрахункових досліджень, аналіз і узагальнення одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації проводилась на IX міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и Техносфера XXI века. 9-15 сентября 2002. г. Севастополь (Сборник трудов конференции. Донецк. ДонНТУ, 2002. Т3); Всеукраїнському науково-технічному семінарі удосконалення конструкції та підвищення теплоенергетичної ефективності малих холодильних машин. 7-8 вересня 2004р. м. Святогорськ (Обладнання та технології харчових виробництв: Тематичний збірник наукових праць. Випуск 11 – Донецьк: ДонДУЕТ, 2004); науково-технічній конференції “Холодильна техніка i продовольча безпека”, Одеса: ОДАХ, 2004; IV міжнародній науково-технічний конференції: Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка. 8-9 вересня 2005р. м. Святогорськ (Обладнання та технології харчових виробництв: Тематичний збірник наукових праць. Випуск 13, т.2 – Донецьк: ДонДУЕТ, 2005.-с. 110-115); 4-ой Междунар. науч.-техн. конф.: Современные проблемы холодильной техники и технологии. г. Одесса, 21-23 сент. 2005 г. – С. 34-35. Одесса: ОГАХ; XII международной научно-технической конференции “Машиностроение и Техносфера XXI века. 12-17 сентября 2005 г. Севастополь (Сборник трудов конференции. Донецк. ДонНТУ, 2005. Т4); ІІ Всеукраїнському науково-технічному семінарі: Удосконалення конструкції та підвищення теплоенергетичної ефективності малих холодильних машин. 8 вересня 2006р. м. Донецьк (Обладнання та технології харчових виробництв: Тематичний збірник наукових праць. Випуск 15, – Донецьк: ДонДУЕТ, 2006.-с. 10-18); Міжнародній науково-технічній конференції: Промисловий холод та аміак. г. Одеса, 28-30 серпня 2006.

Публікації. Основні наукові і прикладні результати автора надані у 2 монографіях і 24 статтях у фахових наукових журналах і збірниках праць, 9 патентах України.

Об’єм і структура дисертації. Повний обсяг дисертації 419 сторінок, включаючи основного тексту 297 сторінок, 103 сторінки з рисунками та 19 сторінок з таблицями, і складається із шести основних розділів, списку літератури із 229 найменувань і додатків.

Основний зміст роботи

У першому розділі відображено актуальність проблеми і сформульовано цілі і задачі дослідження, наукові положення, наукова новизна, основні результати роботи і визначена її практична цінність.

Другий розділ присвячений обґрунтуванню альтернативних рішень. Випарне охолодження ефективне в умовах сухого і жаркого клімату (вологовміст зовнішнього повітря хГ < 12-14г/кг). Найбільш перспективне включення випарних охолодників у склад випарно - парокомпресійних систем (НВО/ХМ) і сонячних холодильних систем, основаних на відкритому абсорбційному циклі (осушувально-випарних систем НВО/АБС.), що дозволяє зняти кліматичні обмеження щодо використання випарних методів і істотно покращити енергетичні та екологічні показники альтернативних систем у цілому (рис.1). Створення комбінованих випарно-парокомпресійних систем на основі НВО (перший ступінь) і ХМ (другий ступінь), - дозволяє “включити” випарний охолодник на високому температурному рівні, де він достатньо ефективний, і використати відкидний холодний і зволожений допоміжний повітряний потік для обдування конденсатора ХМ, а повернення конденсату з випарника ХМ у контур випарного охолодження НВО, може забезпечити повністю замкнений цикл по воді, що споживається охолодником. Попереднє осушування повітряного потоку перед випарним охолодником (НВО/АБС.) - забезпечує можливість наступного глибокого випарного охолодження середовищ і знімає кліматичні обмеження на використання випарних методів охолодження. В останні роки відмічається зростання інтересу до можливостей таких систем, а саме сонячних, що визначається їх екологічною чистотою і малим споживанням енергії. Найбільш перспективний відкритий абсорбційний цикл, оснований на використанні рідких сорбентів і можливості використання сонячної енергії (повністю або як часткового теплового джерела) для забезпечення регенерації сорбенту. Переважною областю практичного використання альтернативних систем є сонячне кондиціонування повітря АСКП, що обумовлено відомою кореляцією між інсоляцією і потрібним рівнем охолодження (комплексом термовологісних параметрів повітря для АСКП) і порівняльно невисокими температурами регенерації абсорбенту.

Основні проблеми розвитку альтернативних систем. Стосовно до випарно-парокомпресійних систем (НВО/ХМ): розробка схемних рішень, що забезпечують раціональне сполучення природних і штучних методів охолодження; зниження витрат води на підживлення випарного контуру НВО; зниження енерговитрат і покращення екологічних характеристик. Стосовно до осушувально-випарних систем (НВО/АБС.): розробка схемних рішень сонячних систем; підбор робочих тіл (композитів), що забезпечують високу поглинаючу здатність, при мінімальному несприятливому впливі на конструкційні матеріали; створення ефективного нагрівального контуру для регенерації абсорбенту, що пов’язано, в першу чергу, з розробкою ефективних сонячних колекторів (СК), здатних забезпечити потрібний температурний рівень регенерації абсорбенту; найбільш перспективне використання у схемах комбінованого гріючого джерела, у якому сонячна енергія відіграє важливу, але тільки часткову роль, що пов’язано, як з природними коливаннями сонячної активності (з необхідністю створення компенсаційного механізму), так і з техніко-економічним аспектом, оскільки часткова “вага” вартості і площі сонячної системи у складі альтернативних систем дуже висока. Загальною задачею для цих двох напрямків є удосконалення апаратів випарного охолодження, для використання як у автономному вигляді, так і у складі випарно - парокомпресійних (НВО/ХМ) і осушувально - випарних (НВО/АБС.) систем; створення компактних ТМА для альтернативних систем, уніфікованих для всіх основних елементів (випарних охолодників, абсорберу - осушувача, десорбера-регенератора, градирні).

Третій розділ присвячений теоретичному та експериментальному вивченню процесів тепломасообміну у випарних охолодниках прямого (ПВО, ГРД) і непрямого (НВО) типів. На підставі багаторічного досвіду ОДАХ вибрано, як універсальне рішення для всіх ТМА, плівковий тип апарату, що забезпечує роздільний рух потоків газу і рідини при малому аеродинамічному опорі, і поперечнотокова схема контактування потоків газу і рідини, як найбільш прийнятна у випадку необхідності сумісного компонування численних апаратів у єдиному блоку. Основною ідеєю дослідження було використання у плівкових ТМА полімерних матеріалів (ПМ). Перспективним є полікарбонат (ПК), який випускається у вигляді багатоканальних плит. ПК стійкий до багатьох хімічних речовин, включаючи мінеральні кислоти високої концентрації, до багатьох органічних кислот, до нейтральних та кислих розчинів солей. Це питання надзвичайно важливе, оскільки у подібних відкритих системах можуть накопичуватися шкідливі речовини і формуватися розчини слабких кислот. Чарункові панелі з ПК відрізняються і високими механічними характеристиками.

На основі багатоканальних плит із ПК розроблено принципи конструювання випарних охолодників прямого (ПВО) і непрямого (НВО) типів. Принцип дії НВО полягає в тому, що повний повітряний потік, що надходить у охолодник, розподіляється на два потоки, основний і допоміжний, перший з яких охолоджується безконтактно, тобто при незмінному вологовмісті, а другий знаходиться у безпосередньому контакті з водяною плівкою і забезпечує її випране охолодження, а вона відводить тепло від основного повітряного потоку. У НВО використовується теплообмінник для попереднього охолодження повітря, що поступає в охолоджувач. Для такого охолодження використовуються “відкидні” потоки холодного повітря, що покидають “мокру” частину НВО, або градирню. Зовнішня поверхня полікарбонатної багатоканальної плити має регулярну шорсткість РШ у вигляді “впадин”, що характеризуються висотою (e) і кроком (p) РШ. РШ розташована перпендикулярно течії рідинної плівки і сприяє поліпшенню розподілу водяної плівки та інтенсифікації процесів тепломасообміну.

Теоретичне і експериментальне вивчення плівкових течій по поверхні ТМА. Тепломасообмін між газом і рідиною при плівковій гравітаційній течії рідині і роздільному русі потоків забезпечує високу інтенсивність процесів переносу при малих затратах енергії. В шарі рідини, що прилягає до шорсткої поверхні, створюються у впадинах РШ зони вихроутворення, які зносяться униз по потоку. Ці зони характеризуються підвищеною інтенсивністю переносу у рідкій фазі, внаслідок турбулізації пристінного пограничного шару. Збільшення товщини шару рідини із пристінним скаламученням приводить до утворення на поверхні рідини крім хвиль, що біжать униз по потоку, також стоячих хвиль, що повторюють деяким чином форму поверхні з РШ. Практичний інтерес уявляє особливості хвилєутворення (амплітуда і період стаціонарних хвиль та їх взаємозв’язок з інтенсивністю масообміну); оптимальні параметри шорсткості, включаючи форму ребра РШ; область двохфазних потоків, де існує гідродинамічна взаємодія фаз. Нестаціонарний рух в’язкої рідини, що не стискується, по вертикальній поверхні з РШ під дією сили ваги, описується рівнянням Навьє – Стокса, рівнянням нерозривності (суцільності). Граничні умови цієї задачі:

1) умови прилипання на шорсткій поверхні

2) кінематична умова на вільній поверхні

3) динамічна умова – безперервність дотичних напруг на вільній поверхні

4) динамічна умова – безперервність нормальних напруг на вільній поверхні.

Хвильовий режим уявляє собою суперпозицію двох видів хвиль: прогресивних і стоячих. При регулярно - хвильовому режимі хвилі, що біжать по поверхні плівки переміщуються з постійною швидкістю с, а стоячі хвилі мов би повторюють профіль поверхні з РШ і період цих хвиль дорівнює відстані між сусідніми впадинами РШ. Як правило, відстань між впадинами (виступами) шорсткості р значно більше середньої довжини прогресивних хвиль, тому хвилі, що біжать, уявляють собою високочастотні збурення (брижі), що розповсюджуються по поверхні стоячих хвиль, тобто визначаючий хвильовий режим на поверхні тонкого шару рідини уявляється стоячими хвилями. Стоячі хвилі відповідають стаціонарній по часу і періодичній по координаті х течії. Розглядається течія рідинної плівки, що встановилася, по вертикальній поверхні з РШ у контакті з протитоковим газовим потоком. Одержано диференціальне рівняння відносно локальної товщини плівки рідини д(х)

Періодичне рішення нелінійного рівняння знаходимо численим методом Рунге-Кутта, використовуючи крайові умови періодичності. Диференціальне рівняння зводиться до системи рівнянь першого порядку.

Розрахунок коефіцієнтів цього рівняння проводився по формулах (усі коефіцієнти виражено через число Рейнольдса):

Для РШ із параметрами е = 0,1 – 0,4 мм, р = 10 мм (е –глибина впадин РШ, р – відстань між ними), одержані значення локальної товщини плівки рідини без газового потоку (ф = 0). Як показує числений аналіз, вплив газового потоку на товщину шару відзначаеться лише при швидкостях газу wг ? 8 м/с. Газовий потік стабілізує плівкову течію, поверхневі збурення згладжуються, а середня товщина плівки декілька зменшується.

Розглянуто сталість роздільної двохфазної течії у плоскому каналі ТМА із РШ поверхні. Для оптимального протікання процесів необхідно забезпечити режим активної гідродинамічної взаємодії фаз, але при цьому навантаження по рідині і газу повинні бути не настільки великими, щоб настало сильне краплеунесення з або “захлинання” насадкової частини апарату. Запропонована математична модель визначення сталості двохфазної течії у вертикальному каналі і встановлено умови стаціонарного режиму тепломасообміну. Результат узагальнений на випадок каналів, поверхня яких має РШ. Одержано залежності для граничних швидкостей газу, після яких настає несталість. Для вертикальних каналів із РШ поверхні, висота або глибина якої порівняна із , при течії створюються на поверхні плівки стоячі хвилі великої амплітуди. При сильній гідродинамічній взаємодії фаз амплітуди хвиль мають тенденцію до зростання з плином часу, що призводить до зменшення .

Експериментальне вивчення плівкових течій по поверхні полімерних листів із РШ типу “впадина” було проведено в ОДАХ сумісно з інститутом проблем хімічної фізики ІПХФ РАН (Росія) з використанням методу електропровідності. Суть методу полягає у вимірі омічного опору рідинної плівки з допомогою декількох електродів, розташованих на поверхні листів. Перехід від ламінарної до турбулентної області течії (Re*ж) залежить від наявності регулярної шорсткості і параметра шорсткості k = p/e; двомірна шорсткість прискорює перехід, знижуючи граничне значення Re*ж. Особливий інтерес являє діапазон значень k = 11-25, де оптимальні умови прояви шорсткості і забезпечується максимальна інтенсивність протікання процесів переносу у рідкій плівці. Моделювання процесів сумісного тепломасообміну у ВО виконано з урахуванням особливостей плівкових течій.

Експериментальне дослідження НВО. Створений стенд дозволяє досліджувати розроблені НВО з насадкою із ПМ і різні схеми НВО/ХМ. Поперечнотокова схема забезпечує зниження рівня Др, порівняно з протитоком, і можливість значного підвищення навантажень. РШ практично не відбивається на величині Др на відмінність від протитоку; по всьому діапазону витрат газу і рідини відсутня гідродинамічна взаємодія фаз. Явище захлинання для поперечнотокової схеми відсутнє повністю, майже до значень wг м/с, змінюючись на великих wг явищем повздорожнього зносу рідини.

Максимальне зростання інтенсивності переносу одержано для листа з РШ, причому відмічається сприятливий розподіл рідини по усій поверхні листа у модулі. Інтенсифікуючий вплив ребер РШ в умовах поперечнотокової схеми проявляється у зниженні термічного опору в обох фазах порівняно із рівним (фоновим) листом без РШ. Конкретизовано діапазон оптимальних значень dэ.опт = 20-25 мм. Енерговитрати для досягнення заданої величини ефективності процесу істотно нижчі в умовах поперечнотокової схеми, ніж при протитоку. У випробуваннях з багатоступеневими і комбінованими охолодниками у складі НВО/НВО або НВО/ПВО, варіювали до п’яти послідовно з’єднаних ступенів. Чутливе зниження температури основного повітряного потоку tо відбувається і першій і другій ступенях НВО, температура tо2 прямує до tр. – температури точки роси зовнішнього повітря. Починаючи з третього ступеня подальше зниження tо незначне і максимальне значення QE|N відповідає двом ступеням охолодження. Очевидна доцільність включення у склад каскаду додаткової випарної ступені ПВО (комбінована система КВО у складі НВО/ПВО, патент України № 73696). Одержані результати і рекомендації важливі для усіх ТМА, що входять у склад альтернативних систем.

Четвертий розділ присвячений вивченню випарно - парокомпресійних охолодників на основі НВО/ХМ. Допоміжний повітряний потік, що покидає НВО є достатньо холодним (але зволоженим) і може використовуватися для охолодження конденсатора ХМ. Схема комбінованого охолодника на основі випарного охолодника у складі НВО/ГРД та ХМ, дозволяє одержувати охолоджену воду, яка подається у водо - повітряні теплообмінники, які вентилюються, встановлені у приміщеннях.

Експериментальне вивчення комбінованих випарно - парокомпресійних охолодників виконано на стенді. Вивчали оптимальне співвідношення теплових навантажень на випарну і парокомпресійну частини охолодника і можливість повернення вологи із випарника ХМ у “мокру” частину НВО. Холодопродуктивність НВО різко зменшується із зростанням вологовмісту зовнішнього повітря і помітна межа можливого використання випарного охолодження у СКП; ця же тенденція зберігається і для комбінованої схеми НВО/ХМ, але навіть для самих високих значень хг1~ 20 - 25 г/кг працездатність системи зберігається, при істотному зростанні холодопродуктивності Q (на 10-20%); чим вище температура зовнішнього повітря, тим вище і холодопродуктивність випарного і комбінованого охолодників, при цьому для ХМ можуть виникнути несприятливі режими експлуатації, пов’язані з відмовами в роботі, що цілком виключено для комбінованої системи на основі НВО/ХМ. Обдування конденсатора ХМ холодним допоміжним потоком приводить до зниження температури і тиску конденсації. Кількість води, що сконденсувалася на поверхні випарника, прямо пропорційна вологості оброблюваного повітря, а кількість води, що випаровується у допоміжних каналах зворотно пропорційна його вологості. Експеримент показав, що при відносній вологості 35-45% втрати на випаровування можуть бути компенсовані повністю. Найбільший інтерес являють рециркуляційні схеми, що забезпечують зниження енерговитрат порівняно з вентиляційними схемами на 25 - 35%.

Розрахунки виконувалися для порівнюваних варіантів охолодників (ХМ і НВО/ХМ) при однакових холодопродуктивності і параметрах довкілля. Для комбінованого варіанта, поряд із холодопродуктивністю першого ступеню НВО, враховувались енерговитрати на вентилятор і водяний насос. Розрахункові і експериментальні результати знаходяться у добрій відповідності.

П’ятий розділ присвячений альтернативним системам, основаним на використанні відкритого абсорбційного циклу і сонячної енергії (НИО/АБС.). Використання рідких сорбентів у сонячних адсорбційних системах переважне, але важливим є питання про вплив робочих речовин на характеристики мікроклімату (для АСКП) і сталість конструкційних матеріалів. Абсорбційні системи з відкритим циклом дозволяють знано знизити температурний рівень регенерації абсорбенту. Такі системи працюють при атмосферному тиску і на їх основі може бути створено нове покоління холодильних і кондиціонуючих систем з використанням сонячної енергії. Суть полягає в тому, що зовнішнє повітря осушується в умовах безперервного циклу, потім надходить у випарний охолодник, де може бути забезпечено глибоке охолодження середовища (у АСКП одержання повітря з параметрами комфортності, які потрібні). При цьому, процес випарного охолодження може бути ефективний безвідносно параметрів зовнішнього повітря. Перспективність альтернативних систем визначається екологічною чистотою; порівняно низькими енерговитратами і можливістю комплексного рішення низки задач життєзабезпечення: гарячого водопостачання, опалення, охолодження і кондиціонування (а саме, осушування) об’єктів, використовуючи єдину сонячну систему. Недоліками є: великі габарити (на сонячну частину АСКП приходиться і основна вартість всієї системи), обумовлені малими рушійними силами; велика кількість ТМА; проблематичність використання тільки сонячної енергії для регенерації абсорбенту.

Може використовуватися як пряма, так і непряма регенерація абсорбенту. Пряма регенерація чуттєва до забруднень абсорбенту і коливанням рівня сонячної активності, що забезпечує не тільки нагрівання при десорбції, але і швидкість руху повітряного потоку над поверхнею розчину абсорбенту.

Схема АСКП включає дві частини: осушування повітря і випарного охолодження. Осушувальна частина включає абсорбер із внутрішнім випарним охолодженням 3 (осушувач повітря), десорбер 4 (регенерація абсорбенту); НВО (1), систему регенеративних теплообмінників 5, 10; тепло, необхідне для регенерації абсорбенту забезпечується геліосистемою із плоскими сонячними колекторами 6. Повітряний потік А при осушуванні в абсорбері 3 знижує вологовміст хг і температуру точки роси th, що забезпечує значний потенціал охолодження у НВО. Робота АСКП може бути організована як по вентиляційній, так і по рециркуляційній схемам.

Схема побудована з використанням повітря, що покидає приміщення для регенерації абсорбенту у десорбері 4 (процес D–K на рис. 9А и Б), при підведенні до нього тепла із бака - теплоакумулятора 8. Зовнішнє повітря стану А осушується в абсорбері (A-E), охолоджується у теплообміннику (E–E*) допоміжним повітряним потоком (G-G*), що покидає НВО, а потім охолоджується у “сухій” частині НВО (E*-B) при незмінному вологовмісті, і у стані В поступає у приміщення. Точка С характеризує стан повітря приміщенні, що кондиціонується, с урахуванням внутрішніх асиміляційних процесів.

Внутрішнє охолодження абсорбера дозволяє усунути із схеми допоміжну градирню, охолоджуючу абсорбер. Процес випарного охолодження у внутрішній порожнині (каналах) абсорбера здійснюється сумішшю повітряних потоків на лінії (Х–I). Внутрішнє випарне охолодження дозволяє приблизити процес абсорбції до ізотермічного і підвищити його ефективність. Міцний і гарячий розчин абсорбенту М і слабкий і холодний розчин N обмінюються теплом в теплообміннику 5.

Інтересна схема з осушуванням повітря, що покидає приміщення, і його використанням як допоміжного повітряного потоку у НВО. Тут температурний рівень у НВО різко знижується і зовнішнє повітря, що подається у приміщення взагалі не вступає у контакт із абсорбентом, що важливо по гігієнічним вимогах, але температурний рівень регенерації абсорбенту неминуче зростає. Для задач СКП можна у НВО охолоджувати як повітря, так і воду, автономно подаючи ці потоки у приміщення. Схема також може служити основою для створення сонячних холодильних систем АХС (вода з температурою 3 - 80С).

Термодинамічна ефективність абсорбційних циклів визначається їх тепловим коефіцієнтом СОР і ступенем термодинамічного удосконалення и. Розрахунки для ідеалізованого циклу АСКП показали різке зниження Q і COP із зниженням температури охолодження (Б) і температури гріючого джерела (В). Температура гріючого джерела вище 60С цілком забезпечує у ідеалізованому циклі прийнятні значення СОР практично для всіх значень відносної вологості зовнішнього повітря. Аналіз, раніше виконаний в ОДАХ, показав, що перспективними, як робочі тіла АСКП, є водні розчини на основі бромистого літію, при цьому доцільно використовувати добавки, тобто композити на основі LiBr, які знижують корозійну активність і збільшують розчинність; для рішення задач кондиціонування повітря доцільно використовувати розчин H2O+LiBr+ZnCl2+CaBr2; робочий інтервал концентрацій складає 70-75%. У розрахункові програми для осушувального блоку (абсорбер – десорбер) входять рівняння, апроксимуючі теплофізичні властивості робочих рідин (розчинів) у діапазонах робочих параметрів.

Суміщення декількох робочих процесів у одному апараті забезпечує зниження загального числа ТМА у системі і енерговитрат, оскільки усуває частину комунікацій. Прикладом можуть служити всі основні апарати АСКП. Внутрішнє випарне охолодження абсорбера забезпечує високу ефективність процесу абсорбції, дозволяючи зменшити витрату абсорбенту і підвищуючи загальний к.к.д. системи. Десорбер упорядкований аналогічно абсорберу. Процеси десорбції протікають у “поновлювальній” частині апарату при взаємодії плівки абсорбенту, що стікає (слабкий розчин), і повітряного потоку, що виносить із апарата вологу, а підвід необхідного для десорбції тепла забезпечується гарячою водою, що надходить у внутрішню порожнині каналів. Всі ТМА АСКП уніфіковані, що забезпечує єдність технологічних операцій при їх виготовленні.

Як зовнішнє гріюче джерело при регенерації абсорбенту використовується геліосистема з плоскими сонячними колекторами СК. У полімерному СК використаний полікарбонат чарункової структури у якості теплоприймача (абсорберу), так і прозорої ізоляції. Розрахунок такого колектора аналогічний розрахунку звичайних СК із подвійним осклененням.

Розроблена інженерна методики розрахунку АСКП, яка дозволяє, варіюючи тип і концентрацію абсорбенту, параметри довкілля, співвідношення витрат, визначати параметри потоків на виході із системи і підібрати оптимальний варіант комбінованого гріючого джерела.

Шостий розділ присвячений інженерним використанням. Результати промислового впровадження випарних (НВО) і випарно-парокомпресійних систем (НВО/ХМ). Розроблено побутовий кондиціонер повітря БКП випарного типу, оснований на схемі НВО/ПВО. Наведені результати порівняльного аналізу можливостей випарно-парокомпресійного кондиціонера (у першому ступені НВО і другому - даховий кондиціонер однакової холодопродуктивності). Комбінована схема дозволяє знизити встановлену потужність компресора з 16,8 до 11,3 кВт. Розташування конденсатора ХМ у допоміжному повітряному потоці, що покидає НВО, забезпечує зниження температури конденсації у розрахунковому режимі від 450С до 350С і зниження витрати енергії на стискування на 14%. Можливе повне повернення рідини у випарний контур. Отримані результати вивчення можливостей комбінованих охолодників для параметрів зовнішнього повітря: tГ = 340С і хГ = 23 г/кг, напевне вибраних для самих тяжких, з точки зору задач СКП, районів земної кулі (Ріо-де-Жанейро, Сінгапур, Майамі, Бангкок, Бахрейн). Як допоміжний потік використовується повітря, що покидає приміщення. Принципово важлива можливість повернення вологи (конденсату із випарника ХМ) у контур НВО, причому для значень відносної вологи зовнішнього повітря вище 35% може мати місце повне повернення вологи, що витрачена на процес випарного охолодження у НВО, що дає можливість створення повністю замкнутого циклу.

Результати промислового впровадження сонячних систем тепло-холодопостачання і кондиціонування повітря на основі НВО/АБС. Сонячні системи гарячого водопостачання (ССГВ) відрізняються за принципом циркуляції теплоносія (з природною і вимушеною циркуляцією), по кількості контурів (з одним або з двома), по роду теплоносія (повітря або розчин), по часу експлуатації (цілорічні і сезонні). Наведені техніко-економічні характеристики пілотної установки АСКП. У апаратах блоку охолодження АСКП використовувалась насадка РН, розроблена із полімерних матеріалів, при цьому усі ТМА, що входять у АСКП, виконано у варіанті суміщення декількох робочих процесів. Це значно скорочує число ТМА, відносно аналогічних схем, розроблених раніше, де кожний етап технологічного процесу послідовно здійснюється у своєму типі апарату. Поперечнотокова схема руху контактуючих потоків забезпечує зручність взаємного компонування

чисельних ТМА у єдиному блоці устаткування, знижуючи кількість необхідних “розворотів” повітряних потоків. Це дозволяє зменшити число вентиляторів у схемі та їх енергоспоживання. Усі ТМА альтернативної системи уніфіковані, що забезпечує єдність технологічних операцій при їх виготовленні. Розроблені НВО входять як випарна частина в альтернативні системи. Аналіз можливостей АСКП для кліматичних умов, коли > 13 г/кг. Використовувався абсорбент LiBr++, при концентрації = 70%. Сонячна СКП здатна забезпечити одержання комфортних параметрів повітря для будь-яких кліматичних умов земної кулі. Порівняно з традиційними парокомпресійними СКП альтернативна система забезпечує значне зниження енерговитрат (30-60%).

На основі методології оцінки “повного життєвого циклу - ПЖЦ” (“Life Cycle Assessment” - LCA) виконано сумісно з Австралійським дослідницьким центром (Commonwealth Science and Industrial Research Organisation, Australia) порівняльний аналіз розроблених альтернативних систем. На відмінність від традиційного техніко-економічного аналізу у роботі виконана оцінка екологічних індикаторів. Методологія LCA розроблена відповідно із стандартами ISO (14040, 14041, 14042 і 14043). Методику розрахунку екологічних індикаторів використовують для порівняння альтернативних систем з метою мінімізації впливу на довкілля, а також для виявлення потенційних можливостей зниження антропогенного навантаження. При аналізі враховуються: витрата енергії і виділення шкідливих речовин при виробництві матеріалів для об’єкту, споживання енергії та інших витратних матеріалів (наприклад, холодоагенту) при його експлуатації, а також додаткові витрати енергії при утилізації об’єкту (або одержання речовин при рециркуляції матеріалів). Нами були вибрані такі еколого-енергетичні критерії: вплив ПЖЦ порівнюваних систем на глобальну зміну клімату (відповідає повній емісії парникових газів); виснаження природних ресурсів при створенні, експлуатації та утилізації систем (відповідає повному споживанню органічного палива і мінеральних ресурсів за ПЖЦ); шкоду, що нанесена довкіллю, тобто відповідні даній шкоді еко - індикатори (окремо враховується шкода людському здоров’ю, екосистемі і виснаження природних ресурсів). Розрахунок усіх обраних критеріїв оснований на методології eco-indicator 99.

Вплив на клімат виражається у спеціальних одиницях DALY (Disability adjusted life years), тобто у цьому індикаторі враховується втрата працездатності, викликана хворобами від даного виду шкідливого впливу. Відповідно з методикою оцінки повного еквіваленту глобального потепління, вплив на зміну клімату прийнято виражати через кг СО2. Враховуються усі викиди СО2 при виробництві енергії і матеріалів, при експлуатації устаткування і його утилізації.

Крім того, враховуються викиди усіх інших парникових газів на всіх стадіях ПЖЦ. Внесок парникових газів у зміну клімату також обчислюється у кг СО2 (перераховується з допомогою спеціальної величини GWP парникового газу, кг/кг СО2). Слід відзначити, що 1кг CO2 відповідає 2.1.10-7 DALY. Внесок у виснаження ресурсів виражається у мДж (показує додаткові витрати енергії, необхідні у майбутньому для добування руди, палива більш низької якості). Ця величина прямо пропорційна кількості споживаних енергоресурсів на створення, експлуатацію та утилізацію об’єкту. Три категорії шкоди – вплив на здоров’я людини, якість екосистеми і виснаження ресурсів - оцінюються у еко-одиницях. Шкала, у якій порівнюється відносний вплив на довкілля, обрана таким чином, щоб 1 Pt (еко-одиниця) являла одну тисячну частину щорічного навантаження на довкілля, що виникає від одного середньостатистичного жителя Європи (розраховується відношенням загального навантаження на довкілля, пов’язаного з повними викидами будь-якої шкідливої речовини в Європі, до загальної кількості жителів Європи і множенням на 1000).

Відзначимо шкідливі впливи, які відповідають за перераховані вище три категорії шкоди. При оцінці впливу на здоров’я людини (тобто на число і тривалість хвороб та на тривалість життя), визначається вплив системи на: зміну клімату; руйнування озонового шару; викиди канцерогенів; радіоактивне випромінювання; шкідливі викиди у атмосферне повітря. При оцінці впливу на якість екосистеми (тобто на біорізноманітність) визначаються: викиди екотоксинів; внесок у створення кислотних дощів; евтрофікація водоймищ; руйнування ґрунту. При оцінці впливу на виснаження природних ресурсів визначається виснаження мінеральних та паливних ресурсів. Розроблена широка база даних для визначення якості і кількості шкідливих впливів і викидів при виробництві певних матеріалів, що необхідна для виконання розрахункової програми LСA. Після врахування вагових коефіцієнтів і підсумовування усіх шкідливих впливів одержується еко-індикатор, який має розмірність Pt (еко-одиниця), який можна використовувати для порівняння альтернативних об’єктів. Найбільш складним моментом є визначення “ваги” кожної категорії, оскільки вони мають різні розмірності (вплив на зміну клімату – кг СО2, на руйнування озонового шару – кг R11, вплив на утворення кислотних дощів – кг SО2). У роботі цей етап аналізу виконувався з використанням бази даних програми “SimaPro-6”. При виконанні аналізу використовувалися середні дані для країн