автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Кондиционер испарительного охлаждения с утилизацией тепла и холода

Санкт-Петербургский Государственный Архитектурно-строительный Университет

На правах рукописи

Старкова Лариса Геннадьевна

Кондиционер испарительного охлаждения с утилизацией тепла и холода

Специальность 05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н. профессор Юрманов Б.Н.

Санкт -Петербург ,1999г.

сОДьЕЖАЫхЕ Стр

Введение " ^ перечень условных иоознам.ении

Глава I. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследований ,.. - "IО 1.1 Испарительное охлаждение.для цедеахандиционировакиа воздуха - 1°

1.1.1 Прямое испарительное охлаждение воздуха " ^

I ; тхлттл-.-.ггтат .-, ,, .. л. .. г-.г., "*

1.1. .з Многоступенчатые схемы испарительного охлаждения воздуха

Краткин анадиз-использованкш. утщшзаторо в тешха. всл^й ~ 2."Ъ

1. _

1.2.1 ¿тсиользодзание рскупсриливныл пластинчатых гсплоиогухенникихз -

уттщизахоров- в~ СКВ - ^

т.¿.2 Проблемы расчета пдастыняатых нереьфесточных рек.уперахнв.щ>1х

теплообменников - 33

I.з ОСиОьНыС ььХйОДьХ И..ЗйДЗ.':!и. ¡1СС]1бдОБй11Ли —' 35

Глава II. Описание конструкции и принципа работы кондиционера типа «КИО-1»-. 35

ил- иоосьювание выоора- гхрппцийоьраиоть! и иино^ньц^-элемсн^хов

_ 38

тт о

_ АО _ 4о - АО

конструкции кондиционера «КИО-1» Назнан.ение11-область.яримшения.1Ш1^Щ^и5нера II. 3 Основные принципы работы кондиционера

х!.Ч У С'ТрОйСТВО КинДИЦкХ^^Нёра

11.5 Схема работы кондиционера

ах. о ч/ъиойниш дци 1 у»¿1мс 1.в^.ирёдлиа яу?у1(111.у 0.1 ¿лк^у ((1 <

1 лава хП. I сори! ические исследований проце^соь тспломас^оиомспа а уста.нохзке -

_____—______ т__________1 _т_________ ______ ^ _______ „ г ^ ,/Т/'ТЖ/Ч •» ^

ко иди циинер а доспорил.д аждс&Иуь с 1)> > ~

- 46

и1.1 ч^йойко-Ма! ©маТичесКое моделирование процессов

I епдомнссопереноса в теплообменниках кондиционера III. 1.3 Основные цели и задачи теоретического исследования I - ^ 9 т.¿исследование процессов теилооомена о утилизаторе- тепла 50

оъсдснис

ТТТ 1 Л Гл^.-г;--3О ъътхъгал

111. 1. х ^ишДН. Ни 01 цш о¿1/

у|т <-> 1 » ______________________ ______^________— 50

1x1.^. 1 М^ГСМиТЙЧбСКоМ модель придс^Сй

|ТГ T

xii.

.2.2 Исследование и анализ сущесхвую1цих методов тиидооого росясга рекуперативных аппаратов. Постановка конкретных задач исследования. — 5 4

Ш.2Л Методика.теоретачесшш-раше^^екуператившш-перекрестомно^р

теплообменника на ЭВМ. ~ & 2.

1113 Исследование процессов- тегитомассообмепа.- в~ адиабатических

увлажнителях (испарителях) - 7{

1113»1 Обхщх^положенйя, . ~ 42.

Ш.3.2 Основные закономерности процессов тепломассообмена при прямом— испарительном .охлаждении.... Постановка- конкретных., задач исследования ~ 50

Глава IV. Методт£а.зкспершаешшьныхд1селедовани^ ~

IV. 1 Плакирование эксперимента. Цели и основные задачи. - <32

-82

~8Ъ

IV.2.2 Измерение скоростей воздушных лотоков - 30

IV. 3 Определение теплотехнических характеристик «КИО-1» - 30

IV.3.1 Пели и задачи эксперимента ~ 32

IV.2 Аэродинамические испьггатт:кондшщрнера.<<КИО-,Ь> IV.2.1 Описание эксперимента

l-^Vil

IV.3.2 Описание экспериментального стенда и методика проведения - <33

эксперимента

IV.3.3 Измерение температур воздушных потоков - 93

IV.3.4 Определение-относительной влажноста-воздупжмх потоков - 3£

Глава V. Обработка и анализ результатов исследований - 92

V.! Первичная обрабатка-эксперименхальных.данных - 32 Оценка погрешности при первичной обработке данных - 38

» / ■ S

V. 1.2 Оценка, измере^гй параметров воздуха с иилющью уравнений

балансов — Ю2>

V.2 Получение аэродиншическик-хараюгерисгик шндицшиера -ЮЧ

«КИО-1» на основе обработки экспериментальных данных i V.2.1 Определения геометрических характеристик-теплообменников - ю4 V.2.2 Определение аэродинамических характеристик модели «КИО-1 »i 08 V.3 Определение теплотехнических характеристик шнддцианера -

•определение теплотехнических характеристик адиниатических iii/iiüpiiiCj'iCH ~ 115

t 7 1

V . . i

-А-

¥.3.2 Определение теплотехнических характеристик утилизатора - 122 ¥.3.3 Оценка точности предложенной методике теплового расчета перекрестноточного теплообменника ~

¥.3.4 Результаты расчета теплотехнических характеристик кондиционера 1Ъ5

Технико-экономические показатели работы модели «КИО-1» В не дрение ко позиционеров. мар ки <<КИО-1»

Основные результаты и выводы по данной работе . - 1Я.6

Список литературы -

Приложения . . - 15?

ВВЕДЕНИЕ

В 80-90-е годы 20-го века произошла смена парадигмы развития человеческого общества. Все мировое сообщество уже не может не считаться с состоянием внешней среды, в которой оно обитает. Технический прогресс и способы удовлетворения человеческих потребностей не могут далее развиваться по экстенсивному пути, т.к. этот путь неизбежно ведет к экологической катастрофе.

В сегодняшнем мире вся научная и инженерная деятельность направлена на поиски рациональных путей использования природных и энергетических ресурсов и создания экологически эффективных систем обеспечивающих жизнедеятельность человека.

В системах кондиционирования воздуха (СКВ) затраты энергии на холодоснабжение составляют основную часть от общих затрат энергии, необходимых на работу установок кондиционирования воздуха. К.П.Д. холодильных машин довольно низкий, они дорогостоящие и сложны в изготовлении. Применяемые хладагенты наносят непоправимый вред окружающей среде.

Поэтому важным резервом экономии затрат и повышения экологической эффективности в СКВ и вентиляции, является применение аппаратов и устройств безмашинного получения холода.

К естественным источникам холодоснабжения относится процесс испарительного охлаждения (ПО) воздуха. Аппараты, которые используют этот процесс для получения холода, называются установками испарительного охлаждения. Их применение возможно и целесообразно в режимах охлаждения воздуха без его осушения.

Отсутствие в установках ИО дорогостоящего холодильного оборудования позволяет значительно снизить их первоначальную стоимость и эксплуатационные затраты, упростить конструкцию и обслуживание. Расход воды на ИО невелик, что важно для районов с малыми водными ресурсами.

В силу указанных причин, в настоящее время проявляется большой интерес к расширению диапазона применения кондиционеров испарительного

типа в системах комфортного, а также технологического кондиционирования микроклимата.

К кондиционерам ИО относятся установки, использующие принципы прямого или косвенного охлаждения воздуха. Наиболее перспективными и рациональными являются многоступенчатые схемы охлаждения воздуха, где ИО осуществляется на одной или нескольких ступенях. В таких схемах удается обеспечить более глубокое охлаждение и избежать повышения влажности в обслуживаемых помещениях. Весьма эффективны установки, где, в качестве одной из ступеней охлаждения осуществляется утилизация тепла (УТ) удаляемого воздушного потока.

В настоящей работе исследуются тепло- и массообменные (ТМО) процессы, протекающие в кондиционере испарительного охлаждения (типа КИО-1) нового схемно-конструктивного решения, в котором осуществляются 2 ступени охлаждения приточного воздуха:

1) рекуперативная утилизация тепла удаляемого воздуха и

2) прямое испарительное охлаждение.

Предлагаемая схема организации процессов разработана с целью:

- обеспечить высокую эффективность охлаждения воздуха экологически эффективным способом;

- возможность использования кондиционера круглосуточно и круглогодично;

- обеспечить более простые условия эксплуатации и изготовления;

- использования доступных недорогих материалов при изготовлении установки.

В данной работе рассмотрены теоретические вопросы, касающиеся особенностей и механизма протекания ТМО - процессов в теплообменниках представленного кондиционера "КИО-1", с целью получения современных более точных и удобных методов расчета процессов, помощью которых значительно упрощается инженерный расчет теплообменников и появляется возможность полностью компьютеризировать этот расчет.

Большое внимание в работе уделяется практическим аспектам: разработкам методики инженерного расчета и прикладной программы расчета

на ЭВМ представленной установки на основе найденных закономерностей (гл.З) процессов ТМО в данном аппарате.

Диссертация состоит из 5 глав. В 1-й главе дается краткий обзор литературы и результатов исследования кондиционеров испарительного охлаждения, реализующих основные схемы с использованием принципа испарительного охлаждения воздуха, на основании чего предложены новые конструкции воздухоохладителей, излагаются цели и задачи исследований. Во 2-й главе описано схемно-конструктивное решение разработанного кондиционера. В 3-й главе производятся теоретические исследования процессов ТМО в теплообменниках кондиционера. 4-я глава посвящена методике экспериментальных исследований установки. В 5-й главе приводятся результаты обработки экспериментальных данных исследований установки «КИО-1» определяются расчетные характеристики кондиционеров марки "КИО-1", составлена методика инженерного расчета и, на ее основе, разработан пакет программ расчета кондиционеров типа "КИО-1" на современной персональной ЭВМ.

Просить мгпппцых обозначений

а - высота канала или ребра, м;

с - удельная массовая теплоемкость, кДж/ кг С,

В - диаметр^ м; коэффициент диффузии ;

(Ькв - эквивалентный диаметр, м;

Е - коэффициент температурной эффективности;

Г - площадь поперечного сечения, м;

Б - площадь поверхности нагрева теплообменника- м;

0 - массовый расход воздуха ,кг/с, кг/ч ; Ош - массовый расход влаги , кг/с^кг/ч;

1 - удельная энтальпия воздуха, кДж/кг; К - коэффициент тепдопер е да чи,Вт/ м

Ь - объемный расход воздуха ,м3/с, м^ /ч; Ьх - размер пластины в направлении оси. X, м; Ьу - размер пластины в направлении оси У, м; N - потребляемая мощдостьДЗт; р - парциальное давление ,Па, Рб - барометрическое-давление водяного пара_Да; ц - удельный тепловой поток ,Вт; О - общее количества тепда^Вт; Qx - холодопоизводительность,Вт; К - универсальная газовая постоянная Дж/кмодь К; г - удельная теплота парообразования ,Дж/кг; Т - температура. "С ;

и - удельное влагосодержание материала,кг/кг; _ V - объем-насадки теплообменника^!^ ш - скорость воздуха ,м/с; W - во дяной. эквивалент Вт/^, X; У; 7, - прямоугольные координаты ;

X = Х/Ьх ; ¥= У/Ьу - относительные прямоугольные координаты;

оС -

коэффициент теплоотдачи ,Вт/(м С); .

Рм - коэффициент массооб мена, „от несенный к разности вдагасадержаыий. ткг/м^е

Р коэффициент массобмена^отнесенный к разности парциальных давлении ,кг

/м^Па;

^ коэффициент массообмена ,отнесенный к разности химических потенциалов, кг (кмоль)/Дж м2с; % - теплопроводность, Вт/м^С, ^ - кинематическая вязкость, м /с; & - плотность кг/м ;

X) - смачиваемость поверхности пластин; _ ^ г /к время,с;

безразмерные координаты теплооЪ г^ена. Безразмерные комплексы

Ье = № / N11' - критерий Льюиса;

То' = N1X1'= К Р /О с - модифицированный теплообменный критерий Фурье для ..„. потока воздуха;

1Чи - термический критерий Нуссельха;

]\[ц — - диффузионный критерий Нуссельта; -

11е - критерий Рейнольдса; Рг ( - (число Прандтля;

п=\\г А¥ ИЗс'ЛЗ с" -соотношение, водяных эквивалентов потоков воздуха; £ - С}*. __ ^ 0 эсрср аи,цент энергетической эффективности Индексы: выработки холода

I, II - номер потока; I - номер потока приточного воздуха; II - номер потока

вытяжного воздуха;

р - изобарный ;

I - по температуре;

V/ - отнесенный к пленке жидкости;

м - по мокрому термометру;

н - наружнего воздуха;

п - приточного воздуха; _

э - экспериментальный;

экв - эквивалентный;

явн - отнесенный к явному потоку теплоты;

1 - начальный;

2 - конечный.

Принятые сокращения:

СКВ- - система тндшддонирсшания воздуха;

СПбГАСУ - Санкт- Петербургский государственной архитектурно- -строительный университет; КИО - косвенно- испарительное охлаждение в ПРТ - пластинчатый рекуперативный теплообменник.. Ц 0 ".испарительное охлаждение и КиО-{" - Кондиционер испарительного оглдждения -{

ТМО - тепло-массоовмен

ТП

ГЛАВАI. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Применяемые в установках кондиционирования воздуха (в дальнейшем УКВ) холодильные машины требуют значительных затрат энергии, дорогого оборудования, сложны конструктивно. Более того, их использование представляет определенную экологическую опасность, т.к. применяемые хладагенты влияют на сокращение озонового слоя Земли [67,101]. Поэтому в настоящее время вся научная и инженерная деятельность направлена на разработку низкоэнергопотребляющих и экологичных УКВ.

К таким установкам относятся устройства испарительного охлаждения (ИО). Установление условий эффективной реализации процессов тепломассообмена в этих устройствах, и расширение диапазона возможности их применения в СКВ является основной задачей их исследований.

У истока теоретического исследования этой проблемы стояли такие крупные ученые, как Г.В.Рихман, Меркель, Л.Б.Берман. Значительный прогресс в исследованиях был достигнут в 60-70-е годы А.А.Гоголиным, Е.Е.Карписом, О.Я.Кокориным, Л.М.Зусмановичем, И.Г.Чумаком, Б.Н.Юрмановым, А.Г.Анчихиным, В.С.Майсоценко. Заслуживают внимания результаты исследований тепло- и массообмена при КИО воздуха полученные М.Г.Раяком, В.А.Тараном, В.А.Михайловым, С.М.Анисимовым,

А.Б.Циммерманом.

Проблемами разработки и совершенствования устройств ИО воздуха в СНГ занимались ряд организаций: ЦНИИЭП инженерного оборудования, ТашЗНИИЭП, СПбГАСУ (ЛИСИ), ОдИСИ, ГИПРОНИИ АН СССР и др

1.1.1. ПРЯМОЕ ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ВОЗДУХА

Первые сведения о практическом использовании принципа прямого ИО воздуха человеком относятся к очень давним временам. На Руси, например,

-н-

издавна применялся способ сохранения некоторых скоропортящихся продуктов путем заворачивания их в мокрую марлю. Изучение закономерностей процессов прямого ИО было начато примерно в середине 18 века.

Под термином "прямое испарительное охлаждение" воздуха понимают процессы тепло- и массообмена происходящие при непосредственном контакте воздуха с водой. В результате этих процессов явное тепло воздуха затрачивается на испарение воды, что обуславливает снижение температуры воздуха (Т) и повышение его влагосодержания (d). Схема процессов прямого ИО на J-D диаграмме воздуха показана на рис. III.7. Энтальпия воздуха (J) практически не изменяется. Поэтому такое охлаждение еще часто называют изоэнтальпийным или адиабатическим.

В связи с неизбежным увлажнением приточного воздуха, использование установок прямого ИО для целей комфортного КВ возможно лишь в районах с сухим и жарким климатом, что существенно ограничивает область их применения. Однако достоинства этих установок также существенны: поскольку процесс прямого ИО - это процесс естественного охлаждения, то отсутствуют расходы на изготовление и эксплуатацию холодильной машины, что составляет большую часть всех расходов в СКВ. Поэтому установки прямого ИО просты по конструкции и в применении, обеспечивают значительную экономию энергоресурсов.

Для осуществления процесса изоэнтальпийного охлаждения воздуха используются форсуночные камеры кондиционеров, орошаемые насадки или слои.

В СССР в 60-70-е годы выпускался ряд местных кондиционеров прямого ИО воздуха типа КИ (КИ-0,5; КИ-1; КИ-1,5), разработанных НИИ санитарной техники, которые обеспечивали допустимые параметры воздуха в помещениях жилых и общественных зданий в районах Средней Азии, Казахстана, юга России и Украины [47,49]. Схема кондиционера такого типа приведена на рис.1.1.

Кондиционер очень прост по конструкции. При работающем вентиляторе и насосе рециркулирующая вода подается насосом на орошение

слоя заполнения кассет и вентилятор просасывает сухой и горячий наружный воздух через увлажненный слой. При непосредственном контакте с влажной поверхностью явное тепло воздуха расходуется на испарение воды, поэтому температура его снижается, а влажность увеличивается. Одновременно с охлаждением в орошаемом слое происходит и хорошая очистка наружного воздуха от пыли. В качестве заполнения орошаемого слоя используются древесная стружка, льняные нити, стекловолокно. Аналогичные кондиционеры выпускаются и широко применяются в Индии, Ираке, Египте, Иране, Израиле и ряде штатов, США с жарким и сухим климатом.

погружной насос; 4-передняя декоративная панель; 5-поворотные жалюзи; 6-поддои, 7-клапан постоянного уровня воды

Рациональным является применение испарительного кондиционера в помещениях тепло напряженных цеховг где свойственные прямому ИО недостатки: неизбежное насыщение влагой и необходимость значительных расходов обрабатываемого воздуха трансформируются в положительные качества. В то время, как главные достоинства, присущие таким системам: низкая себестоимость и незначительные эксплуатационные расходы, сохраняются и подчеркиваются [] 3]

Большое распространение установки прямог