Испарительные охладители комбинированного типа для систем кондиционирования воздухаОпубликовано: 03.09.2018 Summary: Описание:Установка мобильного кондиционера своими руками // FORUMHOUSE Разработаны новые схемные решения испарительных и комбинированных охладителей сред на основе совместной работы испарительного охладителя непрямого типа и холодильной машины, которые позволяют снять климатические ограничения применимости испарительных методов охлаждения и таким образом интегрировать преимущества методов естественного и искусственного охлаждения сред. В конструкции тепломасообменных аппаратов использованы полимерные материалы. А. В. Дорошенко , Ю. И. Демьяненко , Одесская государственная академия холода; С. Н. Филипцов , А. Н. Горин , Донецкий институт холодильной техники Разработаны новые схемные решения испарительных и комбинированных охладителей сред на основе совместной работы испарительного охладителя непрямого типа и холодильной машины, которые позволяют снять климатические ограничения применимости испарительных методов охлаждения и таким образом интегрировать преимущества методов естественного и искусственного охлаждения сред. В конструкции тепломасообменных аппаратов использованы полимерные материалы. Проблемы, свойственные парокомпрессионной холодильной технике и связанные с разработкой озононеразрушающих рабочих тел, вызвали значительный и все возрастающий интерес к возможностям испарительных методов охлаждения газов и жидкостей [1–7], использование которых обеспечивает создание нового поколения систем кондиционирования воздуха, отличающегося экологической чистотой и малым потреблением энергии. Этому направлению в 2003 году был посвящен ряд докладов на состоявшемся в Вашингтоне 21-м Международном конгрессе по холоду [7–9]. Основными проблемами практического применения испарительного охлаждения в холодильной технике и системах кондиционирования воздуха являются необходимость снятия климатических ограничений применимости испарительных методов охлаждения (например, предварительное осушение воздуха и др. методы); снижение расхода свежей воды на подпитку испарительного контура охладителей; повышение эффективности испарительного охлаждения. Изучались также возможности использования полимерных материалов в конструкции испарительных охладителей [7–9]. Аппараты испарительного охлаж-дения основаны на прямом контактировании воздушного и водяного потоков (ПИО) либо на непрямом испарительном охлаждении «продуктового» потока воздуха (НИО). Поскольку, наряду с охлаждением воздуха в ПИО, он увлажняется, использование ПИО для обеспечения комфортных параметров воздуха затруднено и рассчитано, преимущественно, на условия сухого и жаркого климата. Принцип действия испарительного охладителя непрямого типа заключается в том, что полный воздушный поток, поступающий в испарительный охладитель, делится на два потока, основной и вспомогательный, первый из которых охлаждается бесконтактно, т. е. при неизменном влагосодержании, а второй находится в непосредственном контакте с водяной пленкой и обеспечивает ее испарительное охлаждение (рис. 1а).
Охлажденная вода, в свою очередь, отводит тепло от основного воздушного потока. Насадка НИО выполняется, как правило, в виде чередующихся сухих и смоченных каналов, предназначенных для движения основного и вспомогательного воздушных потоков соответственно. Каналы насадки образованы замкнутыми элементами, во внутренней полости которых движется основной воздушный поток, охлаждаемый при неизменном влагосодержании. В пространстве между элементами насадки движется вспомогательный воздушный поток в прямом контакте со стекающей по внешним поверхностям элементов водяной пленкой. При этом обеспечивается испарительное охлаждение воды, которая, в свою очередь, отводит тепло от основного воздушного потока через разделяющую каналы стенку. Принцип НИО позволяет получить охлажденный и неувлажненный воздушный поток, что делает его перспективным для систем кондиционирования воздуха, но ограничения на климатические условия применимости здесь сохраняются. На рис. 4а показаны процессы изменения состояния основного (A–E) и вспомогательного (A–F) воздушных потоков в НИО. Наиболее перспективными для создания испарительных охладителей, используемых в холодильной технике и системах кондиционирования воздуха, являются насадки пленочного типа с регулярной структурой каналов (РН) [3–9]. Основные требования к РН для испарительных охладителей: – насадочный слой должен иметь малое аэродинамическое сопротивление для комплектации охладителей низконапорными вентиляторами; – насадка должна обладать большой удельной поверхностью и коррозионной стойкостью в рабочих средах, отличаться простотой конструктивного исполнения и технологичностью; – поскольку для многоканальной пленочной РН принципиально важен вопрос о качестве распределения жидкости, слой РН должен способствовать равномерному вводу жидкости и благоприятному ее перераспределению между соседними каналами. Плотность слоя выбирается с учетом явлений устойчивости в системе [4–5]. Выбор материала для изготовления насадки основан на результатах наших и зарубежных исследований [4–5]. Было отмечено, что РН из листов алюминиевой фольги и полистирола обеспечивают близкие результаты, и несколько лучшие характеристики первой объясняются хорошей смачиваемостью материала. Изучалась возможность применения в конструкции пленочных ТМА полимерных материалов. Был проведен анализ полимерных материалов, которые могут быть использованы в конструкции ТМА, и показано, что перспективным материалом является поликарбонат. Плита сотового поликарбоната представляет собой два параллельных листа с поперечными перегородками в цельной единой структуре. Температурный диапазон эксплуатации для поликарбоната составляет от –40 до +120 °С, что позволяет использовать его в «открытых» системах, к которым относятся испарительные охладители. Максимальное термическое расширение (при D Т = 80 °С) составляет 2,5 мм/м. Поликарбонат устойчив ко многим химическим веществам, включая минеральные кислоты высокой концентрации, многим органическим кислотам, нейтральным и кислым растворам солей. Сотовые плиты из поликарбоната отличаются высокими механическими характеристиками, такими как твердость и стойкость к ударным воздействиям при длительном содержании на открытом воздухе.
Насадка разработанного бытового кондиционера воздуха (рис. 1 и 2) представляет собой вертикально и эквидистантно установленные плиты из сотового поликарбоната, в каналах которых движется основной воздушный поток, а в межканальном пространстве – вспомогательный поток. Вода, рециркулирующая через насадку НИО, поступает в верхний канал каждой плиты и из этого канала через продольные узкие щели стекает по внешним поверхностям плиты. Внешний профиль (поверхность) поликарбонатной многоканальной плиты имеет регулярную шероховатость, что способствует улучшению распределения стекающей водяной пленки и интенсификации процессов совместного теп-ломассообмена при испарительном охлаждении. На участке распределения жидкости используется покрытие из капиллярно-пористого материала. Вспомогательный воздушный поток поступает вначале в пространство аппарата под насадкой и далее в насадочную часть аппарата. Разделение воздушного потока на основной и вспомогательный происходит в аппарате и определяется аэродинамическими сопротивлениями «сухой» и «мокрой» частей насадки и воздушных коммуникаций. Могут использоваться отдельные вентиляторы для каждого из воздушных потоков. На рис. 1б приведен вариант бытового кондиционера воздуха с теплообменником на отбросном вспомогательном воздушном потоке, покидающем НИО, поскольку этот поток достаточно холодный, но увлажненный.
Двухступенчатая схема испарительного охладителя может быть реализована в составе модулей НИО/ПИО (рис. 1в) или НИО/градирни (рис. 1г). Здесь вода в градирне контактирует с предварительно охлажденным при неизменном влагосодержании воздухом, что существенно понижает естественный предел ее охлаждения. Как отмечалось ранее, непосредственное использование аппаратов испарительного охлаждения в схемах систем кондиционирования воздуха ограничено регионами с сухим жарким климатом. Для умеренных широт состояние воздуха после непрямого испарительного охлаждения не соответствует комфортному, т. к. лежит на границе комфортных и допустимых параметров. Поэтому представляет практический интерес использование испарительного воздухоохладителя НИО в качестве первой ступени компрессионного кондиционера, что позволяет снять климатические ограничения применимости испарительных методов охлаждения и таким образом интегрировать достоинства методов естественного и искусственного охлаждения сред. Вспомогательный воздушный поток, покидающий НИО, является достаточно холодным (но увлажненным) и может использоваться для охлаждения конденсатора холодильной машины. Схема такого двухступенчатого бытового кондиционера воздуха (рис. 2) позволяет использовать единый вентилятор для организации движения воздуха в основных и вспомогательных каналах непрямого испарительного охладителя и далее через испаритель и конденсатор холодильной машины. Конденсатор и испаритель холодильной машины располагаются на выходе вспомогательного и основного потоков из НИО соответственно. Образовавшийся в испарителе конденсат сливается в поддон НИО. Естественность компоновки и компактность – основные преимущества этой схемы.
На рис. 3 приведены варианты испарительно-парокомпрессионного двухступенчатого автономного кондиционера с использованием воздушного потока, покидающего помещение (рециркуляционная схема системы кондиционирования воздуха) для предварительного охлаждения поступающего в кондиционер наружного воздуха (рис. 3а) или в качестве вспомогательного воздушного потока в НИО (рис. 3б). На рис. 3в приведен вариант комбинированного охладителя на основе модулей НИО/градирни.
На рис. 4 представлены результаты предварительного изучения возможностей комбинированных охладителей [4–5] для параметров наружного воздуха – tГ = 34 °С и хГ = 23 г/кг, заведомо выбранных для самых тяжелых, с точки зрения реализуемой задачи кондиционирования воздуха таких городов, как Рио-де-Жанейро, Сингапур, Майами, Бангкок, Бахрейн. Ход процессов на Н–Х диаграмме влажного воздуха представлен на рис. 4а: A–E и A–F – линии изменения состояний основного и вспомогательного воздушных потоков в I ступени комбинированного охладителя (НИО); E–B – охлаждение воздуха во II ступени, в испарителе холодильной машины (E–H и H–B – составляющие этого процесса); точка B характеризует состояние воздуха, поступающего в помещение, C – воздух в помещении с учетом ассимиляционных процессов, D – воздух, покидающий помещение (на Н–Х диаграмме выделена зона комфортных параметров воздуха). Для схемы по рис. 4б процесс D–F выражает изменение состояния вспомогательного воздушного потока, в качестве которого здесь используется воздух, покидающий помещение, а процесс F–G – это прохождение воздуха через конденсатор холодильной машины; изменение состояния основного воздушного потока в НИО благодаря этому протекает с его охлаждением и некоторым осушением (А-H-E). Принципиально важна возможность возврата влаги (конденсата из испарителя холодильной машины) в контур НИО, причем для значений относительной влажности наружного воздуха выше 35–40 % может иметь место, как показывают предварительные расчеты, полный возврат жидкости, затраченной на процесс испарительного охлаждения в НИО, что дает возможность создания полностью замкнутого цикла по воде. Поскольку температура этой возвратной воды близка к температуре кипения в испарителе, это выгодно с термодинамической точки зрения и обеспечивает дополнительный рост холодопроизводительности комбинированного охладителя Q. В таблице приведены результаты анализа возможностей комбинированного охладителя на основе НИО и кондиционера, основанного на использовании комбинированной схемы (в первой ступени НИО и во второй – крышный кондиционер CAAE/CAEN – 31). Для сравнения взят крышный кондиционер CAAE/CAEN – 51, чтобы холодопроизводительность у сравниваемых вариантов кондиционеров была примерно одинаковой. Относительно вентилятора в сравниваемых вариантах систем кондиционирования воздуха: поскольку каждая из ступеней снабжена своим вентилятором (мощность привода 0,46 и 0,245 кВт соответственно), в комбинированной схеме используется единый вентилятор с мощностью, равной 0,59 кВт, меньшей суммарной мощности штатных вентиляторов НИО и холодильной машины (принципиальная схема такого решения представлена на рис. 5).
Комбинированная схема позволяет снизить установленную мощность компрессора холодильной машины с 16,8 до 11,3 кВт. Расположение конденсатора холодильной машины во вспомогательном воздушном потоке, покидающем НИО, обеспечивает понижение температуры конденсации в расчетном режиме от 45 до 35 °С и снижение расхода энергии на сжатие на 14 %. Очевидна возможность полного возврата жидкости в испарительный контур. Очевидны особые достоинства комбинированной схемы в условиях жаркого климата. Дополнительно отметим, что вне пределов рассмотрения остались экологические преимущества новой системы. Выводы1. Испарительное охлаждение эффективно при влагосодержании наружного воздуха хГ < 12 г/кг; использование этого метода при больших значениях влагосодержания возможно в комбинированных схемных решениях на основе предварительного осушения воздушного потока либо в испарительно-парокомпрессионных охладителях. 2. Наиболее перспективным направлением развития пленочных охладителей испарительного типа, обеспечивающих высокую интенсивность рабочих процессов при низких энергозатратах, является разработка ТМА пленочного типа с многоканальной регулярной насадкой из полимерных материалов. 3. Разработаны схемные решения комбинированных охладителей на основе совместной работы испарительного охладителя (первая ступень охлаждения) и парокомпрессионной холодильной машины и показаны преимущества новых решений. Литература1. Steimle F. Development in Air-Conditioning, International Conference of Research, Design and Conditioning Equipment in Eastern European Countries. September 10–13. Bucharest, Romania. IIF/IIR. 2. Foster R. E., Dijkastra E. Evaporative air-conditioning fundamentals: environmental and economic benefits world wide / International Conference of Applications for Natural Refrigerants' 96. September 3–6. Aarhus, Denmark. IIF/IIR. 1996. 3. Stoitchkov N. J., Dimirov G. J. Effectiveness of crossflow plate heat exchanger for indirect evaporative cooling / Int. J. Refrig., vol. 21, no. 6. 1998. 4. Дорошенко А., Ярмолович Ю. Косвенно-испарительные охладители // Холодильная техника. 1987. № 12. 5. Лавренченко Г., Дорошенко А. Разработка косвенно-испарительных воздухоохладителей для систем кондиционирования // Холодильная техника. 1988. № 10. 6. Watt J. R. Evaporative Air Conditioning Handbook. 1986. 7. Koltun P., Ramakrishnan S., Doroshenko A., Konsov M. Life Cycle Assessment of a Conventional and Alternantive Air-Conditioning Systems / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF. Washington, D. C, ICR0140. 2003. 8. Maisotsenko V., Lelland Gillan. The Maisotsenko Cycle for Air Desiccant Cooling / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D. C. 2003. 9. John L. McNab, Paul McGregor. Dual Indirect Cycle Air-Conditioner Uses Heat Concentrated Dessicant and Energy Recovery in a polymer Plate Heat Exchanger / 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF. Washington, D. C, ICR0646. 2003.
E-mail: [email protected], [email protected] |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
© 2008 — 2012 offroad.net.ua . All rights reserved. | by nucleart.net 2008 |