Get Adobe Flash player

Вы здесь

Главная » Испарительные охладители непрямого типа. разработка и анализ возможностей

Испарительные охладители непрямого типа. разработка и анализ возможностей

УДК 536.248.2:532.529.5

А.В. Дорошенко, профессор, Д.Н.Чебан, аспирант

Одесская государственная академия холода, 65082, г. Одесса, ул. Дворянская, 1/3,

Испарительные охладители непрямого типа. Разработка и анализ возможностей

Разработаны системы испарительного охлаждения сред, осушения и кондиционирования воздуха, основанные на принципе непрямого испарительного охлаждения и выполнен анализ возможностей таких систем, в зависимости от климатических условий и режимных параметров. Тепло-масообменные аппараты, входящие в систему испарительного охлаждения, основаны на пленочном взаимодействии потоков газа и жидкости и в них, для создания насадки, используются многоканальные структуры из полимерных материалов и пористой керамики.

Ключевые слова: испарительное охлаждение, полимерные материалы, пористая керамика

The systems evaporative cooling of environments are developed, drainages and air conditioning based on a principle indirect evaporative of cooling the analysis of opportunities of such systems and is executed, depending on climatic conditions and regime parameters. Heat-mass-transfer apparatus the devices which are included in system evaporative of cooling, are based on film interaction of flows of gas and liquid and in them, for creation surface is heat – mass – transfer the multichannel structures from polymeric materials and porous ceramics are used.

Keywords: evaporative cooling, polymeric materials, porous ceramics

I. Введение

Сопряженные проблемы энергетики и экологии интенсифицируют поиск альтернативных решений в области холодильных и кондиционирующих систем. Эффективность испарительного охлаждения сред ограничена климатическими условиями, тем не менее, интерес к возможностям испарительных охладителей как прямого, так и непрямого типа в последние годы неуклонно возрастает, что обусловлено их малым энергопотреблением и экологической чистотой. Испарительные охладители могут использоваться как в автономном варианте, так и в комбинированных системах, например в составе солнечных осушительно-испарительных охладителей, где предварительное осушение воздуха обеспечивает высокую эффективность последующего испарительного охлаждения.

II. Испарительные охладители непрямого типа

Испарительные охладители непрямого типа НИО могут быть раздельного и совмещенного типов [1-2]. В первом случае охладитель включает градирню и теплообменник, в котором охлаждается основной (продуктовый) воздушный поток. Во втором, получившем наибольшее распространение в последние годы [2-4,7-12], воздушный поток делится на две части (рис. 1). Вспомогательный поток воздуха поступает в «мокрую» часть охладителя, где контактирует с водяной пленкой (вода рециркулирует через аппарат) и обеспечивает испарительное охлаждение воды, которая, в свою очередь, охлаждает бесконтактно, через разделяющую стенку, основной воздушный поток. Этот поток воздуха охлаждается при неизменном влагосодержании, что обеспечивает преимущества при создании на основе НИО систем кондиционирования воздуха СКВ. Вспомогательный воздушный поток выносит все тепло из аппарата в «связанном» виде, его температура также понижается и влагосодержание возрастает. Температура воды в цикле сохраняет неизменное значение и оказывается на несколько градусов выше температуры мокрого термометра поступающего в НИО наружного воздуха. Эта температура также зависит от соотношения воздушных потоков в НИО, основного и вспомогательного, и является пределом охлаждения для обоих воздушных потоков в аппарате.

На рис. 2 приведены основные компоновки испарительных охладителей непрямого типа и протекание процессов на H-X диаграмме влажного воздуха. Поскольку вспомогательный поток покидает аппарат достаточно холодным, он может использоваться для охлаждения полного воздушного потока, поступающего в НИО (рис. 2, Б и Г). Могут использоваться и различные схемы с рециркуляцией воздуха, покидающего кондиционируемое помещение.

На рис. 2В приведена регенеративная схема НИО/Р, с разделением полного воздушного потока на выходе из сухой части охладителя (см. также рис. 1А, позиция III). Она обеспечивает более глубокое охлаждение воздуха, поскольку здесь процесс испарительного охлаждения воды в «мокрой» части 

аппарата ориентирован на температуру мокрого термометра воздуха, уже прошедшего охлаждение в «сухой» части охладителя. Но эта схема и более энергозатратна.

Поскольку основной воздушный поток, прошедший «сухую» часть НИО имеет более низкое значение температуры мокрого термометра, чем наружный воздух, он может эффективно использоваться для получения холодной воды в комбинированной системе в составе НИО и градирни ГРД (рис. 3Б), то есть решать ряд задач обычной парокомпрессионной техники.

III. Анализ возможностей испари-тельных охладителей

Анализ возможностей испарительных охладителей (рис. 2-3) выполнен на основе ранее полученных экспериментальных данных в работах [1-2]. Экспериментальный стенд обеспечивает возможность исследования разработанных НИО с насадкой из полимерных материалов, в виде многослойных многоканальных структур. В программе исследований было принято: 

  • В качестве базового элемента в модулях НИО использована многоканальная плита из поликарбоната. Модуль НИО представлял набор эквидистантно расположенных вертикальных многоканальных плит с разомкнутыми каналами (рис. 1В).
  • Величина эквивалентного диаметра каналов насадки варьировалась для «сухих» и «мокрых» каналов, и составляла doэ / dвэ = 18,5/20,3мм;
  • Для интенсификации процессов совместного тепломасообмена и увеличения смоченной поверхности, на внешней стороне полимерных плит была использована регулярная шероховатость (РШ) с параметром k = p/e = 27.5, где р и е – шаг и высота выступа РШ; именно в этом диапазоне значений параметра шероховатости k отмечается интенсификация процессов переноса;
  • Рабочий диапазон скоростей движения воздуха в каналах насадки изменялся в диапазоне w = 1,0 – 7,0 м/с;
  • Погрешность измерения основных величин, обусловленная точностью измерений, вычислялась при обработке данных для каждого опыта и составляет: точность сведения теплового баланса – от 8 до 12%; экспериментальный материал характеризуется надежной воспроизводимостью.

Все тепломасообменные аппараты, входящие в состав рассматриваемых испарительных охладителей, пленочного типа с насадкой регулярной структуры, образованной многослойными многоканальными структурами из полимерных материалов [1-2]. Это касается испарительных охладителей воздуха (прямого и непрямого типов, ПИО, НИО) и воды (градирня ГРД).

При этом эффективность НИО по основному и вспомогательному потокам была принята, на основании цикла экспериментальных исследований, равной ЕОВ=(t1 – t2)/(t1 – tм)=0.65, при эффективности теплообменников, входящих в состав охладителей ЕТ/О = 0.8. Эффективность охлаждения основного (ЕО) и вспомогательного (ЕВ) воздушных потоков в НИО определяется выражениями: 

при этом, пределами протекания процессов здесь являются: для основного воздушного потока t0 (исчисляется от t1м [2]); для вспомогательного потока величина hгво.

Температура воды, рециркулирующей через «мокрую» часть НИО принята t*Ж = t1М + 2,50С. На самом деле величина ЕВ несколько выше чем ЕО, а реальное значение величины t*Ж зависит от соотношения расхода воздушных потоков l = GО/ GВ в «сухой» и «мокрой» частях НИО. Поскольку возможности испарительных охладителей рассматривались применительно к задачам СКВ, начальное влагосодержание воздуха выбрано в диапазоне хГ < 12,5г/кг и на диаграмме Н-Т показана область комфортных параметров воздуха, обусловленная сочетанием температуры и относительной влажности воздуха в кондиционируемом помещении (КЗ) [1].

На рис. 2 на Н/Х диаграмме влажного воздуха показано протекание процессов для четырех рассмотренных вариантов НИО. Расчеты выполнены для условий: t1=40,60С, х1=8,95г/кг. Здесь показаны: процесс охлаждения основного воздушного потока (t1 – t2), протекающий при неизменном влагосодержании воздуха; процесс изменения состояния вспомогательного воздушного потока (t1 – t3), имеющий, как показано в работе [2] криволинейный характер; процессы в теплообменнике (2) для вариантов охладителей по схемам Б и Г; а также условно, точками на кривой    φ = 100%, показаны соответствующие температуры жидкости, рециркулирующей через охладитель (t*Ж).

Видно, что использование в составе НИО теплообменника (2) существенно улучшает характеристики (с учетом дополнительных энергозатрат на движение потоков в теплообменнике): температура охлажденного воздуха снижается от 29,60С до 23,80С (варианты А и Б) и от 24,50С до 17,50С (варианты В и Г). Переход от схемы НИО к НИО/Р позволяет снизить температуру охлажденного воздуха от 29,60С до 24,50С (варианты А и В). Для схем на основе НИО/Р особо перспективно использование теплообменника (2), поскольку вспомогательный поток покидает охладитель при достаточно низкой температуре.

На основе НИО (схема А) рассмотрен охладитель в составе НИО/ПИО, – процессы    (t1 – t) и (t – t2А*) в сухой части НИО и ПИО, соответственно. Такая схема обеспечивает получение комфортных параметров. Близкий результат отмечается в работе [6].

Отметим особо, что для схемы Г температура охлажденного воздуха составляет 17,50С, при температуре мокрого термометра наружного воздуха 220С, то есть для НИО/Р пределом охлаждения является точка росы наружного воздуха, что существенно расширяет возможности практического использования испарительных охладителей даже в диапазоне начальных условий хГ < 12,5г/кг.

На рис. 3 на Н/Х диаграмме влажного воздуха показаны возможности НИО с учетом начального влагосодержания воздуха. Расчеты выполнены для условий: t1=350С, х1=16г/кг (А), х1=9г/кг (Б) и х1=4г/кг (В). Видно, что при хГ > 12,5г/кг (точка А) испарительное охлаждение вообще не может обеспечить параметров комфортности воздуха в 

помещении. При хГ < 12,5г/кг использование НИО вполне обеспечивает выход в зону комфортности (точка Б, температура основного потока t).

Когда величина хГ достаточно мала (точка В) задача решается как с помощью НИО (t), так и с помощью испарительного охладителя прямого типа (ПИО, температура t) и, конечно, использование ПИО предпочтительно с точки зрения реальных энергозатрат. Особый интерес представляет здесь вариант комбинированного охладителя на основе НИО/Р и градирни на основном воздушном потоке, покидающем НИО (схема охладителя по варианту Б на рис. 3). Поскольку потенциал поглощения влаги основным воздушным потоком очень высок (пределы естественного охлаждения составляют значения t1М=7,00С и t1Р=00С), в градирне может быть достигнута достаточно низкая температура (в рассматриваемом примере t2ж=9,00С). Такой охладитель может решать ряд задач холодильной техники, например получение захоложенной воды, вообще не прибегая к парокомпрессионному охлаждению.

Одноступенчатый охладитель НИО/Р с теплообменником (схема Г по рис. 2) обеспечивает температуру охлажденного воздуха 17,50С, при температуре точки росы наружного воздуха 120С. В работе Maisotsenko V., Lelland Gillan [3] рассматривается возможность сведения многоступенчатого охладителя к одноступенчатому по близкой схеме, и указывается на их идентичность в смысле достигаемого результата. Это очевидно не так, и, кроме того, в этой работе используются капиллярно-пористые материалы в качестве образующих элементов насадки, что требует использования очищенной воды в контуре испарительного охладителя и серьезным образом усложняет практическую эксплуатацию таких охладителей (рис. 1А).

IV. Перспективы использования пористых многоканальных керамических структур для организации процессов тепломасообмена в испарительных охладителях

В работе E.V. Gomes, F.J. Rey Martinez [5] представлен испарительный охладитель непрямого типа на основе пористой керамики (рис. 4). 

Аппарат устроен таким образом, что рециркуляционный воздух имеет следующие параметры: температуру 22°С и относительную влажность 50%. Когда  приточный воздух поступает в охладитель с относительной влажностью менее чем 50%, то в нём происходит процесс тепломассообмена, уменьшается температура и увеличивается влагосодержание приточного воздуха. С другой стороны, если относительная влажность приточного воздуха более чем 50%, то происходит только процесс теплообмена (процесс без изменения влагосодержания), снижается только температура приточного воздуха. Теплообменник выполнен на основе керамических трубок, которые расположены в шахматном порядке. В одном ряду располагаются семь трубок с наружным диаметром  25х5мм и длиной 600мм. Площадь теплопередающей поверхности 2,3м2.

На основе выполненного аналитического обзора исследований последних лет в мире, а также опыта накопленного в ОГАХ по использованию испарительных охладителей, выбрано, в качестве основного направления повышения эффективности испарительного охлаждения, использование керамических блоков с многоканальной  пористой структурой (рис. 5). Основные схемные решения для такого охладителя представлены на рис. 5Б.

Разработанная насадка представляет собой пористую многоканальную структуру, стенки каналов которой выполнены из пористой керамики. 

В первой части исследования планируется экспериментальное изучение рабочих характеристик ПИО: влияния геометрии насадки, характеристики пористой структуры и основных режимных параметров (параметров окружающей среды, расходов воздушных и водяного потоков) на эффективность испарительного охладителя. Планируется исследование испарительных охладителей как прямого типа (ПИО и градирни ГРД), непрямого типов НИО (построенных по раздельной схеме).

Выводы

1.         Использование в составе НИО теплообменника на холодном вспомогательном воздушном потоке существенно улучшает характеристики охладителя; переход от схемы НИО к НИО/Р позволяет снизить температуру охлажденного воздуха; для схемы для НИО/Р пределом охлаждения является температура точки росы наружного воздуха, что существенно расширяет возможности практического использования испарительных охладителей.

2.         Особый интерес представляет вариант комбинированного охладителя на основе НИО/Р и градирни на основном воздушном потоке, покидающем НИО: поскольку потенциал поглощения влаги основным воздушным потоком очень высок (t1м=7,00С и t1Р=00С), в градирне может быть достигнута достаточно низкая температура воды и такой охладитель может решать ряд задач холодильной техники, например получение захоложенной воды, не прибегая к парокомпрессионному охлаждению.

3.         Применение насадки из пористой керамики может привести к увеличению эффективности испарительного охлаждения воздуха.

4.         Испарительные охладители могут обеспечить получение комфортных параметров воздуха, при хГ < 12,5г/кг, не прибегая к парокомпрессионному охлаждению. Это позволяет снизить энергозатраты в среднем на 25-35% и существенно повысить экологическую чистоту новых решений.

Литература

1.   Горин А.Н., Дорошенко А.В. Альтернативные холодильные системы и системы кондиционирования воздуха. 2-е переработанное и дополненное издание. – Донецк.: Норд-Пресс, 2007. – 362 с.

2.   Дорошенко А.В. Компактная тепломассообменная аппаратура для холодильной техники (теория, расчет, инженерная практика). Докторская диссертация, Одесский институт низкотемпературной техники и энергетики. Одесса. - 1992. – т. 1. – 350 с., т. 2. – 260 с.

3.   Maisotsenko V., Lelland Gillan, M. 2003, The Maisotsenko Cycle for Air Desiccant Cooling21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D.C.

4.   JOHN L. McNAB, PAUL McGREGOR/ 2003, 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.

5.   E.V. Gomes, F.J. Rey Martinez, F. Varela Diez, M.J. Molina Leyva, R. Herrero Martin. Description and Experimental results of a semi-indirect ceramic evaporative cooler. Int/ Journal of Refrigeration. 28-2005.-Р. 654-662.

6.   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. - P. 101-109.

7.   Jose Rui Camargo, Carlos Daniel Ebinuma, Jose Luz Silveira, Experimental performance of a direct evaporative cooler operating during summer in a Brazilian city. Int. J. Refrig., vol. 21, (28) – 2005. - P. 1124-1132.

8.   Davis Energy Group”, California, Energy Commission, 2004

9.   Torcollini Р., National Renewable Energy Laboratory, 2003

10.  Energy Conservation and Management Division (Energy, Minerals and Natural Resources Department), 2002

11.  Stoitchkov N. J., Dimirov G.J. Effectiveness of Crossflow Plate Heat Exchanger for Indirect Evaporative Cooling. Int. J. Refrig., vol. 21, no. 6. – 1998. - P. 463-471.

12.  Koltun, Р. Life Cycle Assessment of a Conventional and Alternantive Air-Conditioning Systems. P. Koltun, S. Ramakrishnan, A. Doroshenko, M. Kontsov. 21h International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D.C, ICR0140, 2003. P. 45-57

 

Спецпредложения!