автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Научные основы совершенствования устройств тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования

005534ООі

Аверкин Александр Григорьевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

05.23.03 — Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

17 ГКТ 2013

Пенза-2013

005534881

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Научный консультант- ЕРЕМКИН Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Официальные оппоненты:

ГАГАРИН Владимир Геннадьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией строительной теплофизики НИИ строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук;

БОДРОВ Валерий Иосифович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Отопление и вентиляция» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»;

САЗОНОВ Эдуард Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Городское строительство и хозяйство» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «15» октября 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.184.02 при ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, улица Г.Титова, дом 28, корпус 1, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан «'//•> 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бикунова М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Выполнение Федеральной программы по модернизации и внедрению инновационных технологий в промышленное производство требует повышения эффективности работы оборудования. Это может быть достигнуто путем совершенствования технологических процессов и устройств, разработки современных методик расчета для конструирования технических систем, создания и внедрения современных средств контроля и регулирования необходимых параметров с учетом отечественных, а также зарубежных научно-технических разработок, на основе ресурсо- и энергосбережения.

Реализация инновационных технологий связана с созданием искусственного микроклимата помещений, т.е. обеспечения и поддержания требуемых технологических параметров воздушной среды в производственном цикле. На это ежегодно затрачивается до 40 % энергоресурсов, получаемых в стране.

Необходимые параметры микроклимата обеспечивают инженерные системы, среди которых важная роль принадлежит центральным системам кондиционирования воздуха (СКВ).

Выпуск многих видов продукции (микроэлектронной, оптической, полиграфической, текстильной, медицинской и др.) невозможен без использования СКВ, они также создают комфортные условия для обслуживающего персонала, т.е. оптимальные параметры внутреннего воздуха.

Современные системы кондиционирования воздуха характеризуются высокой материалоемкостью, повышенной энергоемкостью, большой стоимостью.

Развитие научных основ, направленных на совершенствование тепловлаж-ностных устройств СКВ и снижение потребления количества тепловой и электрической энергии, неразрывно связана с разработкой и совершенствованием методов их расчета. Необходим системный подход при решении этой важной технической задачи.

Ее решение позволит улучшить технико-экономические показатели при создании современных высокоэффективных устройств в СКВ для обеспечения необходимого микроклимата в помещении, что делает тему научных исследований актуальной.

Степень разработанности темы диссертации при ее выборе представлялась недостаточной в связи с необходимостью выполнения современных требований по повышению эффективности и энергосбережению в жилищно-коммунальном комплексе и промышленности.

Разработка эффективного оборудования в системах кондиционирования предусматривает научно-экспериментальные исследования новых способов тепловлажностной обработки воздуха на стадии увлажнения, охлаждения, утилизации теплоты воздушного потока, создание научно обоснованных современных методов их расчета.

Реализации данного направления посвящены научные исследования настоящей диссертации.

Диссертационная работа выполнена в период с 1997 по 2012 г. на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» ФГБОУ ВПО «Пензенский государ-

О

ственный университет архитектуры и строительства» при проведения научных исследований по госбюджетной теме «Повышение эффективности работы систем обеспечения микроклимата помещений» в рамках региональной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Пензенской области на 2010-2020 гг.».

Цель исследований заключается в развитии научных основ конструктивного исполнения контактных устройств и способов тепловлажностной обработки воздуха в СКВ, методов их расчета.

Для выполнения указанной цели сформулированы следующие задачи исследований:

— разработать и научно обосновать эффективный способ охлаждения воды и воздуха для СКВ на основе многоступенчатого косвенного и прямого охладительного процесса рабочих сред;

— усовершенствовать устройство для эффективного охлаждения воды воздухом, позволяющее получать воду с температурой ниже температуры мокрого термометра воздуха;

— разработать эффективный распылитель жидких сред в воздушном потоке;

— разработать устройства для адиабатического увлажнения и охлаждения воздуха на основе ресурсо- и энергосбережения;

— усовершенствовать методики расчета поверхности тепло- массообмена при тепловлажностной обработке воздуха водой, при применении твердых сорбентов в контактном аппарате на основе числа единиц переноса;

-разработать алгоритм расчета и программный продукт для оценки поверхности тепло- массообмена при тепловлажностной обработке воздуха водой;

— научное обосновать и разработать способ и оборудование для утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха из помещений на основе твердого сорбента, позволяющего полностью утилизировать скрытую теплоту водяных паров воздушной среды;

— разработать математическую модель тепловлажностной обработки воздуха для стадий увлажнения и охлаждения рабочих сред;

— разработать математическую модель для описания конвективного теплообмена при применении воздушных сред различной относительной влажности;

— провести опытно-промышленные испытания разработанных технологий и устройств тепловлажностной обработки воздуха. Выполнить технико-экономическое обоснование целесообразности их применения в СКВ для обеспечения соответствующего микроклимата помещений.

Научную новизну составляют:

— развитие теоретических основ по совершенствованию конструктивного исполнения контактных устройств для увлажнения, охлаждения, осушения воздуха: а) разработка и научное обоснование конструкций контактных устройств роторного типа, работающих по прямоточной или по схеме с рециркуляцией воздуха; б) разработка и научное обоснование конструкции кондиционера круглогодичного действия без применения традиционной холодильной машины и способа его монтажа;

— разработка и научное обоснование конструкции компактной градирни с косвенно-испарительным охлаждением воздуха для получения воды с температурой ниже температуры мокрого термометра воздуха и математическая модель ее процесса;

— новый способ утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха из помещений на основе твердого сорбента, который позволяет существенно повысить теплосъем по сравнению с традиционными методами из-за возможности утилизации всей скрытой теплоты водяных паров, содержащихся в удаляемом воздухе;

— новые теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные методики определения числа единиц переноса для различных режимов тепловлажностной обработки воздуха (адиабатического, политропического) на основе /-с/ диаграммы влажного воздуха, позволяющие определять необходимую поверхность для реализации как теплообменных, так массооб-менных процессов в контактных аппаратах;

— метод оценки определяющего линейного размера капель воды (эффективного диаметра), распыляемой в потоке воздуха механическими форсунками;

— разработка алгоритма расчета поверхности тепло- массообмена при обработке воздуха водой в контактном аппарате;

— методика расчета контактных устройств для осушения воздуха на основе твердых сорбентов с применением, разработанной автором, модифицированной /-с/ диаграммы влажного воздуха;

— математические модели для описания конвективного теплообмена воздушных сред различной относительной влажностью.

Теоретическая и практическая значимость работы заключаются в разработке и научном обосновании новых способов тепловлажностной обработки рабочих сред в СКВ на принципах ресурсо- и энергосбережения, апробации научных исследований на объектах региона.

Снижение расхода энергопотребления при круглогодичной эксплуатации работы систем кондиционирования воздуха достигается за счет применения эффективных способов охлаждения воды и воздуха, новых систем утилизации теплоты удаляемого воздуха из зданий и сооружений различного назначения: офисных, административных, общественных, промышленных, а также внедрения компактного оборудования для тепловлажностной обработки воздуха с пониженным электропотреблением.

Практическую ценность для проектирования, конструирования и эксплуатации систем кондиционирования воздуха имеют, разработанные автором, методы расчета контактных аппаратов для увлажнения, охлаждения, осушения воздуха на основе числа единиц переноса, инженерная методика расчета температуры мокрого термометра воздуха и пакет программного продукта, позволяющего уменьшить трудоемкость работ на стадии конструктивных и поверочных расчетов устройств тепловлажностной обработки воздуха, повысить качество инженерного проектирования СКВ.

Методики расчетов контактных аппаратов для тепловлажностной обработки воздуха апробированы в проектных организациях, на них получены положительные отзывы.

Разработанные устройства и способы тепловлажностной обработки воздуха внедрены на промышленных объектах региона с получением значительного экономического эффекта.

Теоретические и практические результаты научных исследований представлены в учебно-методических пособиях, используются при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий, курсового и дипломного проектировании со студентами и магистрантами.

Методология и методы исследований в диссертационной работе основаны на системном анализе ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований, разработке научной концепции по совершенствованию процессов и оборудования тепловлажностной обработки воздуха и методов их расчета. Научные исследования проводились с применением современных математических методов планирования и обработки экспериментальных данных с получением соответствующих математических моделей и последующей их оптимизацией. В экспериментальных исследованиях применялись композиционные планы первого и второго порядков, методы численного эксперимента, итерационный метод.

Положения, выносимые на защиту:

— новый способ многоступенчатого охлаждения воздуха и воды;

— новый способ утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха из помещений на основе твердого сорбента;

— комплекс теоретически обоснованных и экспериментально подтвержденных инженерных решений при разработке устройств для увлажнения и охлаждения воздуха роторного типа, создания бактерицидных, активирующих свойств воздушной среды, охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения конденсаторов холодильных машин, распылителей жидких сред в воздушном потоке;

— устройство универсального лабораторного стенда для исследования тепловлажностной обработки воздуха в контактном аппарате, позволяющего моделировать форсуночное распыление, пленочное или роторное орошение для увлажнения и охлаждения воздушного потока;

— математические модели для описания тепловлажностной обработки воздуха в контактных аппаратах роторного, пленочного типов в виде регрессионных уравнений;

— математические модели для описания конвективного теплообмена при применении одно- и двухфазных воздушных потоков в виде регрессионных и критериальных уравнений;

— методы расчета контактных аппаратов для увлажнения, осушения воздуха водой, а также осушения воздуха твердыми сорбентами на основе числа единиц переноса;

Степень достоверности и апробация результатов. Поставленные в диссертации задачи решались методами физического эксперимента, проводимого в натурных и лабораторных условиях, а также на основе теоретических исследований, с использованием современных достижений в области теории и практики создания систем кондиционирования воздуха и физико-математического моделирования. Достоверность экспериментальных и теоретических исследова-

ний, установленных зависимостей и разработанных методов расчетов подтверждается сопоставлением полученных расчетных данных с многочисленными экспериментальными результатами, а также итогами внедрения в производство.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и публиковались в материалах Международных и Всероссийских научно-практических конференций, совещаний и семинарах: «Достижения в теории и практике теплогазоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха и охраны воздушного бассейна» (С-Петербург, 1997); «Материалы XVI межвузовской научно-технической конференции, посвященной 370-летию г. Красноярска (Красноярск, 1998); «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2000-2012); «Энергосбережение в строительстве и жилищно-коммунальном комплексах» (Махачкала, 2009, 2010); «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, 2009, 2011); «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2009; Самарканд (Узбекистан), 2010; Кошалин (Польша), 2011; Будапешт (Венгрия), 2012); Ханой (Вьетнам), 2013.

Личное участие автора состоит в разработке программы теоретических и экспериментальных исследований, получении результатов научных исследований, их обобщении, анализе и промышленном внедрении.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 92 научных работы, в том числе 17 статей в журналах по списку ВАК, получено 13 патентов РФ на изобретения, подтверждающих новизну технических решений.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 225 наименований и 11 приложений. Полный объем диссертации содержит 332 страницы машинописного текста, включая 32 таблицы и 100 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы; сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическое значение полученных результатов, основные положения, которые выносятся на защиту, а также сведения об апробации работы.

В первой главе рассмотрены способы и оборудование для тепловлаж-ностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования.

Основные положения по теоретическим и технологическим основам кондиционирования воздуха изложены в трудах известных ученых: В.Н.Бо-гословскго, А.В.Нестеренко, Е.В.Стефанова, О.Я.Кокорина, В.К.Льюиса, Ф.Меркеля, Б.В.Баркалова, Е.Е.Карписа, Б.И.Бялого, П.В.Участкина, А.А.Го-голина, Ю.Я.Кувшинова, В.И.Бодрова, Э.В.Сазонова, С.И.Бурцева, М.Г.Тара-банова, Б.Н.Юрманова, А.Г.Сотникова и др.

Показано, что наибольшее практическое значение имеют процессы адиабатического увлажнения (охлаждения) воздуха и его осушения и охлаждения в политропических условиях. Для их реализации применяют контактные аппараты с механическим распылением воды (камеры оросительные форсуночные — ОКФ, пленочного типа). Интенсивность процесса переноса тепла и влаги между потоком воздуха и водой зависит от поверхности тепло-

массообмена, т.е. суммарной поверхности капель воды при форсуночном орошении, поверхности водяной пленки в камерах сотового увлажнения и потенциала влажности. Направленность потоков тепла и массы определяется параметрами воздуха и воды.

Для распыления воды в камерах орошения разработаны механические центробежные форсунки различных модификаций: прямоточные, угловые, ударные, широкофакельные и др.

К недостаткам ОКФ следует отнести: повышенный расход электроэнергии на распыление воды с помощью механических форсунок.

Сложность процессов тепломассопереноса в камерах орошения породило большое число методик их теплотехнического расчета. В частности, разработаны следующие методики:

— метод НИИ санитарной техники (автор Е.Е.Карпис),

— метод ВНИИКондиционера,

— метод на основе относительных значений энтальпии и температуры воздуха (автор Л.М.Зусманович),

— метод на основе обменных коэффициентов (автор О Л. Кокорин).

Анализ данных методик показал, что в их основе применяются функциональные зависимости и эмпирические уравнения, полученные на экспериментальных стендах, имитирующие определенный тип оросительных форсуночных камер. Типовые зависимости отражают особенности аэродинамической обстановки в дождевом пространстве оросительной камеры, являются ее технической характеристикой и приводятся в справочниках и каталогах фирм — производителей данного оборудования. Каждая методика в отдельности посвящена расчету определенного класса оросительных форсуночных камер.

Таким образом, использование предлагаемых эмпирических формул корректно только для подобных условий, т.е. для исследованных режимных и конструктивных параметров данного оборудования. Большинство этих методик в настоящее время не имеют практического применения, т.к. многие конструкции форсуночных камер морально устарели, и их производство прекращено.

Отечественные фирмы и большинство иностранных фирм, в том числе европейские производители климатехнического оборудования, выпускают форсуночные камеры только для реализации процесса увлажнения воздуха в адиабатических условиях, что востребовано, в основном, в холодный период года.

Данное оборудование в теплый период года не применяют для осушения и охлаждения воздуха в политропических условиях по причине возможного образования в контактной части и в поддоне форсуночной камеры не бактерицидной среды и развития патогенных микроорганизмов. Патогенные микроорганизмы по системам воздухораспределения могут поступать в помещения, вызывая специфические заболевания у людей, например, «болезнь легионеров».

В настоящее время для расчета оросительных форсуночных камер не утратила практического применения методика ВНИИКондиционера. Она основана на применении экспериментальных зависимостей:

ад, =/00, (1)

где Е3, Ел — коэффициенты эффективности для адиабатических и политропических условий; |х - коэффициент орошения, кг/кг.

Вследствие полидисперсности форсуночного факела воды процесс тепломассообмена представляет собой целый спектр процессов, характерных для капель разного диаметра. В объеме камеры имеют место разнонаправленные процессы: увлажнение воздуха на мелких каплях и осушка — на крупных.

В зависимости от режимных параметров ОКФ (объемной или массовой производительности, коэффициента орошения) и диаметра капель воды, образующихся при форсуночном распылении, можно получить различные значения площади тепломассопереноса в контактном узле, расчет которой представляет очень трудную техническую задачу.

Применение для расчета контактных аппаратов тепловлажностной обработки воздуха базовых уравнений тепломассообмена в большинстве случаев затруднено из-за невозможности прямого определения величины поверхности тепломассопереноса.

Описание процессов тепловлажностной обработки воздуха в контактных (трехмерных) пространствах осуществляют на основе уравнений движения (при ламинарном режиме течения — это уравнение Навье — Стокса), уравнения неразрывности, уравнений сохранения тепловой энергии и массы водяного пара. Однако решение данной системы уравнений вызывает большие затруднения из-за их нелинейности.

В настоящее время оценка эффективности работы и теплотехнический расчет камер орошения и других контактных аппаратов осуществляется с применением коэффициентов эффективности. Коэффициенты эффективности характеризуют отношение теплообмена в реальном процессе к максимально возможному теплообмену при различной ориентации идеальных процессов. Они не были получены в результате какого-либо математического вывода или анализа.

Показано, что для расчета поверхностных теплообменников применяются два методических подхода: метод с использованием средней разности температур теплоносителей (СРТ) и метод, основанный на применении зависимости теплотехнической эффективности теплообменника от числа единиц переноса (ЧЕП). Осуществлен их анализ.

Приведено описание и анализ способов и основного оборудования для утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха из помещений. Отмечено, что для регионов России наиболее рациональной конструкцией является система утилизации теплоты с промежуточным теплоносителем (установка из двух теплообменников с насосной циркуляцией антифриза между ними). Представлены расчетные уравнения для определения коэффициентов эффективности работы теплоутилизаторов рекуперативного и регенеративного типов.

Во второй главе обосновывается новый методологический подход к расчету контактных аппаратов при обработке воздуха водой в режиме адиабатического увлажнения, политропических процессах осушения и охлаждения, а также при его осушении твердыми сорбентами на основе числа единиц переноса.

Научные исследования основывались на работах ведущих ученых В.Н.Богословского, Е.В.Стефанова, В.И.Кейса, А.Л.Лондона, А.Г.Касаткина и др.

Приведена инженерная методика расчета температуры мокрого термометра воздуха, получено базовое эмпирическое уравнение:

где /м, ¿м_ соответственно, энтальпия, кДж/кг и температура воздуха по мокрому термометру, °С;

Р - барометрическое давление, кПа.

Для определения числа единиц переноса при тепловлажностной обработке воздуха предложен метод графического интегрирования.

Данный метод включает следующие: стадии :

— построение рабочей и равновесной линий процесса в соответствующей системе координат;

В качестве системы координат автором предлагается использовать 1-е! диаграмму влажного воздуха (рис. 1).

Для расчета контактных аппаратов графическими построениями на 1-й диаграмме являются кривая насыщенного воздуха ср = 100% (равновесная линия); прямая линия процесса, характеризующая тепловлажностную обработку воздуха (рабочая линия).

На рис. 1 представлены графические построения на 1-е1 диаграмме влажного воздуха для определения рабочих и равновесных величин.

/м = 1,006 ■ /м + (2500 +1,8 ■ /м ) ■ 0., 622

(2)

а

б

г,

кДж/кг

кДж'кг

ф - 90% (р-100%

<1, >1

Рис. 1. Схемы определения равновесных значений температуры (/*) и равновесных значений энтальпии воздуха (/*): а — адиабатическое увлажнение и охлаждение воздуха; б - осушение и охлаждение возд^а в политропических условиях

:ении темпер; воздуха (/*):

Для определения равновесных парциальных давлений водяного пара при увлажнении и осушении воздуха выполняют графические построения на 1-<Л диаграмме влажного воздуха, они приведены на рис. 2.

Рис. 2. Схемы графических построений для определения рабочих и равновесных парциальных давлений водяного пара в режиме адиабатического увлажнения (линия 1-2), политропического осушения воздуха (линия 1*-2*) в контактном аппарате

На рис. 2 приняты следующие обозначения: Рь Р2, Рх - рабочие парциальные давления водяного пара в режиме адиабатического увлажнения воздуха, кПа; Рув— равновесное парциальное давление водяного пара в режиме адиабатического увлажнения воздуха, кПа; Р,, 1\,,РХ - рабочие парциальные давления

водяного пара в режиме политропического осушения воздуха, кПа; Рж— равновесное парциальное давление водяного пара при осушении воздуха, кПа.

— построение графической зависимости у—рг = на основе рабочей

и равновесной линий процесса (рис. 3). а б

Рис. 3. Графические зависимости к определению числа едиуиц переноса: а - зависимость 1// — г =/0)\ б-зависимость МР — Р ~/(Р)

— определение числа единиц переноса и, или Щ, или пр по уравнению

П, = |-Дг = /-тГю2; (3)

Н1 1

и„= = (5)

¿р-р

где I, { — соответственно, рабочая (текущая) и равновесная температура воздуха, °С (см. рис. За);

I, I* - соответственно, рабочая (текущая) и равновесная энтальпия

воздуха, кДж/кг (см. рис. 36); р, р — соответственно, рабочее (текущее) и равновесное парциальное давление водяных паров в воздушном потоке, кПа (см. рис. 2);

Р— площадь криволинейной трапеции в принятых величинах (см. рис.3); ти т2; тъ,

т4; те — соответственно, масштабы измеряемых величин по оси абсциссы и ординаты. — определение требуемой поверхности теплообмена 171 и Гт массообмена в контактном аппарате

= (6)

а

_ 0,622-С■ пр т ' КП

где б— массовый расход воздуха в контактном аппарате, кг/с; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); Р — коэффициент массотдачи, м/с. Определение кинетических коэффициентов (теплоотдачи и массоотдачи) в уравнениях (6, 7) осуществляется на основе теории подобия с применением тепловых и диффузионных критериев подобия.

а = №ху; (8)

Р = №»'у. (9)

Здесь / - определяющий линейный размер, м;

X — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К); О — коэффициент диффузии водяных паров в воздухе, м2/с. N11, 1Чи' — соответственно, критерий Нуссельта для теплового и диффузионного (массообменного) процесса. Критерии Нуссельта определяют по критериальным уравнениям, приведенным в литературе, например, если тепло- и массообмен происходит с

поверхности капель в условиях вынужденной конвекции применимы уравнения (при Яе = 1.. .220):

Ыи = 2 + 1,07Ке°-48Рг°'33Си0'175; (10)

Ыи' = 2 + 0,8511е0'52(Рг')0'33Си0'ш, (11)

где Ле - критерий Рейнольдса;

Рг, Рг' — соответственно, критерий Прандтля тепловой и диффузионный; Си — критерий Гухмана.

Таким образом, разработанная методика расчета контактных аппаратов при обработке воздуха водой включает выполнение ряда последовательных операций, представленных на рис. 4.

Рис. 4. Алгоритм расчета контактного аппарата при обработке воздуха водой на основе числа единиц переноса

Методика позволяет раздельно оценить требуемую поверхность для реализации теплообменного и массообменного процесса, проводить поверочные и конструктивные расчеты контактных аппаратов тепловлажностной обработки воздуха.

Для количественной оценки определяющего линейного размера капель воды, образующихся при форсуночном орошении в контактном аппарате,

разработана метод с применением последовательных приближений (метода итераций). Он состоит из следующих стадий:

1. Строится графическая зависимость Р = для соответствующей производительности контактного аппарата б (рис. 5).

2. Назначается численное значение определяющего линейного размера капель распыляемой воды (эффективного диаметра) / = «4 = 0,1...2,0 мм.

3. Рассчитывается площадь тепломассопереноса Р, м2, согласно методике, приведенной на с. 10-13, для заданного режима работы контактного аппарата и известном коэффициенте эффективности Е.л.

4. Вычисляется численное значение коэффициента орошения (X из предварительно найденной зависимости £а =Дц) для данного контактного аппарата.

5. Оценивается требуемая поверхность капель воды м2 для принятых значений ц (п.4) и назначенных линейных размеров / (п.2) по рис. 5.

6. Определяется отклонение (разность) АР между расчетным значением площади тепломассопереноса F (п.З) и значением требуемой поверхности Рк (п.5).

7. С учетом отклонения АР принимается другое значение величины определяющего линейного размера капель распыляемой воды (п.2).

8. Повторно выполняются расчеты по пп. 3,5,6, при этом каждый раз уменьшается АР, т.е. несоответствие между расчетной Р, м2 и ее значением Рк, м2, определяемой по рис. 5.

9. Определяющий линейный размер капель распыляемой воды I = с1„ мм считается установленным при равенстве Р - Рк, т.е. при АР= 0.

Е

7

м с/ ^ 02 VI« 7 -•■ О. ^ м ч ,/--0.4цч --?

40

35

30 25 20 15 10

V / / /

X / Ту 7/ / . У

у :

/ // / / ■

// . у

1 —_

— ------

-1.0 1

1.1 мм ,/- ¡.«мм

Рис. 5. Изменение поверхности тепломассопереноса Р, м , от коэффициента орошения ц и определяющего линейного размера капель воды (с/ =1) в факеле распыла механических форсунок в контактном аппарате при расходе воздуха О = 10000 кг/ч (2,78 кг/с)

Таким образом, разработанная методика позволяет оценить определяющий линейный размер капли воды (эффективный диаметр) в ОКФ для различных режимов работы.

Для уменьшения трудоемкости расчетов разработан программный продукт — ТВОВ-СК, позволяющий рассчитывать поверхность тепломассопе-реноса при различных режимах тепловлажностной обработки воздуха: при адиабатическом увлажнении и охлаждении воздуха, при его политропическом охлаждении и осушении.

Определение числа единиц переноса при осушении воздуха твердыми сорбентами (силикагелем) предлагается осуществлять при помощи модифицированной 1-с1 диаграммы влажного воздуха, на которой дополнительно нанесены изолинии равновесного влагосодержания силикагеля марки КСМ.

Фрагмент модифицированной /-с/ диаграммы приведен на рис.6.

Рис. 6. J-d диаграмма влажного воздуха с изолиниями равновесного влагосодержания силикагеля: D* - равновесное влагосодержание силикагеля, г/кг; (1-2) процесс изоэнтальпийного осушения воздуха

На основе I-d диаграммы (см. рис. 6) выполняют построение равновесной линии (в данных условиях изоэнтальпы адсорбции) и рабочей линии процесса (рис.7). Для определения числа единиц переноса строят графическую зависимость

для осушения воздуха силикагелем: —i— = /(d), ее общий вид приведен на

d-d*

рис.8.

І

(I, г/кг сух. в-ха

Рис. 7. Изоэнталыта адсорбции (ОА) и рабочая линия процесса (1 - 2): 4, ¿¡*- соответственно, рабочие и равновесные влагосодержания воздуха, г/кг сух. возд.; Д, Д * - соответственно, рабочие и равновесные влагосодержания

силикагеля, г/кг

с!1 ^ (¡. г/кг cix.e-.ti Рис. 8. Графическая зависимость-= /(сГ)

йГ-ОМ

Число единиц переноса численно равно: « = /• М,-М2,

(12)

где /— площадь криволинейной трапеции; Мь М2 - соответственно, масштабы величин по оси абсцисс и ординат (см. рис. 8).

Высоту слоя сорбента (силикагеля) Н определяют по уравнению

Н= пИ,

где Ъ — высота единицы переноса, м

в

(13)

где О — массовый расход воздуха, кг/с;

& — фронтальное сечение осушителя, м2;

Ру— объемный коэффициент массоотдачи в воздухе, с"1, определяется по уравнению

о»

э

где D — коэффициент диффузии водяных паров в воздухе, м2/с; с/з — эквивалентный диаметр зерна силикагеля, м; N11' — диффузионный критерий Нуссельта, определяется в зависимости от численного значения критерия Рейнольдса — Яе:

Яе = (16)

где ¡х- динамический коэффициент вязкости воздуха, Пас; £„— порозность неподвижного слоя адсорбента (ен = 0,4); р - плотность воздуха, кг/м3. При Яе < 2 Ыи = 0,51 ■ Яе0'85 • (Рг')0'"; (17)

При Яе = 2-30 N11' = 0,725 • Яе0'47 • (РгУ'33; (18)

При Яе > 30 = 0,395 • Яе0'64 • (РгУ'33 . (19)

Диффузионный критерий Прандтля— Рг' рассчитывают по формуле:

Рг'=-^г ; (20)

Разработанные методики апробированы при конструктивном расчете новых контактных аппаратов, которые представлены в гл. 4, 5.

В третьей главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований конвективного теплообмена в поверхностных теплообменниках. Исследования основывались на работах С.С.Кутателадзе, ОЛ.Кокорина, В.Е.Минина, М.А.Михеева, З.Р.Горбиса, Э.К.Калинина, Г.А.Дрейцера и др.

Был использован математический метод планирования экспериментов, в частности, реализован план второго порядка Бокса - 3.

В качестве независимых переменных (факторов) выбраны режимные параметры теплообменника: массовая скорость воздуха в живом сечении теплообменника, кг/(м2-с), — X]; линейная скорость воды в трубках теплообменника, м/с, - Х2; относительная влажность воздуха на входе в теплообменник, %, - Хз;

На основе регрессионного анализа получено уравнение

а, = 32,47 +15,74^ +9,68х> + 9,60*3 -6,65х2 +4,76*1 + 4,89х32 + ^ +6, 44х,х2 + 2,80х,х3.

Уравнение адекватно описывает поверхность отклика при уровне значимости 0,05.

Для типовых воздухоохладителей, в исследованных режимах работы получено уравнение для расчета коэффициента теплопередачи К:

К = 2,28(ру)°'7%0'45ф0,39, (22)

где ру - массовая скорость воздуха снаружи оребренной поверхности, кг/(м2-с); м> — линейная скорость воды в трубках теплообменника, м/с; ф — относительная влажность воздушного потока, %.

Также проведены экспериментальные исследования по гидродинамике и теплообмену двухфазных воздушных потоков в каналах прямоугольного сечения.

Обработка экспериментальных данных по методу анализа размерностей позволила получить следующие критеримьные уравнения:

кип = о,з-яе°'мк43УД1; (23)

Еип = 77,36 • Ке-0'43 ■ КеГ • Ц0-30, (24)

где ТЧи,,, Еип - соответственно, критерий Нуссельта, критерий Эйлера для двухфазного потока;

Яев - критерий Рейнольдса по взвешивающей скорости;

(.1 - весовая концентрация твердых частиц в воздушном потоке, кг/кг.

Изменение относительной интенсивности теплообмена двухфазного потока с ростом относительного аэродинамического сопротивления, связанного с организацией двухфазного потока в прямоугольном канале в опытах 1 — 14, представлено на рис. 9.

Nur 'Ян 4,0

3,0

2,0

/

nt

sc По И «в» ° 1. о у

„< 6о 7 °14 У

/

/

/

/

Л

о

1.0

2,0

3,0

4.0

Ей. Ей

Рис. 9. Изменение относительной интенсивности теплообмена и относительного аэродинамического сопротивления двухфазного потока в прямоугольном канале: од — диагональ квадрата

В четвертой главе приведены результаты по разработке эффективных процессов и оборудования для обработки воздуха водой в системах кондиционирования воздуха.

Научные труды Ж.Цейнера и М.Ренкина в конце XIX в., и их последующее развитие в научных исследованиях К.К.Балуева, Г.Н.Абрамовича, М.Е.Дейча, Е.Я.Соколова, Н.М.Зингера, Л.Д.Бермана B.C., Пономаренко,

А.В.Лыкова, П.И.Дячека и др. явились экспериментальной базой по совершенствованию устройств тепловлажностной обработки воздуха.

На основе процессов, характерных для струйных аппаратов, конструктивных элементов трубы Вентури разработана форсунка эжекционного типа (ФЭТ), контактный аппарат роторного типа, работающий по прямоточной схеме и по схеме с рециркуляцией воздушного потока. Схема ФЭТ приведена на рис. 10.

Форсунка работает следующим образом. Вода за счет напора, создаваемого насосом, последовательно проходит канал корпуса 1, калиброванное отверстие шайбы 2 и поступает в эжекторный элемент — трубу Вентури 3. Сформировавшаяся водяная струя, обладая высоким динамическим давлением, проходит начальный участок эжекторного элемента — конфузор 7. средний участок - горловину 5 и через расширяющуюся часть - диффузор 8 выбрасывается в воздушный поток (газовую среду) в виде диспергированной водяной струи. При этом в конфузоре создается разрежение за счет увлечения струей воды частиц газа.

При наличии сквозных каналов, находящихся по периметру конфузора и имеющих выход наружу через кольцевой зазор между направляющим аппаратом и наружной поверхностью конфузора, происходит транспортирование частиц газа из воздушной среды, окружающей форсунку, в конфузор, т.е. наблюдается процесс эжекции газовой фазы водой.

Таким образом, при выходе водной струи из диффузора образуется встречный газовый поток, направленный против движения жидкости. При этом газовый поток способствует дополнительному диспергированию водяной струи на выходе из диффузора. Газовый поток может увлекать капли жидкости через кольцевой канал направляющего аппарата в конфузор. Наличие капелек жидкости в газе при входе в цилиндрические каналы конфузора способствует изменению гидравлического сопротивления отверстий. Поэтому расход газового потока в разных каналах конфузора в различные промежутки времени будет неодинаковым. Переменный расход инжектируемого газа в каналах конфузора изменяет профиль (структуру) водной струи.

Как видно, в формировании водяной струи участвуют как конструктивные элементы форсунки, так и газовая фаза.

Применение форсунок данной конструкции в форсуночных камерах центральных кондиционеров позволяет интенсифицировать процессы тепловлажностной обработки воздуха. Это достигается за счет образования новых

1 - корпус; 2 - шайба с калиброванным отверстием; 3 — эжекторный элемент; 4 - гайка; 5 — горловина; 6 - канал цилиндрический; 7 - конфузор; 8 - диффузор

Рис.10. Схема ФЭТ:

воздушных потоков (встречных течений: струя воды - струя воздуха) в газовой среде камеры, что содействует турбулизации воздуха в камере в целом.

Также увеличивается продолжительность контакта двух фаз: воздушной и водной, т.к. контакт воды с воздухом происходит перед форсункой, в форсунке и после истечения струи в поток газа. Достоинствами данной форсунки являются:

— высокая эффективность образования межфазной поверхности, т.е. поверхности массообмена на границе вода - газ, за счет повышения степени диспергирования водной струи в газе;

— увеличение продолжительности контакта газовой и водяной фаз;

— создание большой турбулизации газовой фазы;

На основе экспериментальных исследований для форсунок ФЭТ получена зависимость

£а = 0,74-ь0,191п|1. (25)

На рис. 11 представлены графические зависимости £а =/(\а) для форсунок различного типа.

я.

Рис. 11. Зависимости Еа =Ац): □ — для форсунки ФЭТ; А — для форсунки ШФ 9/5; • —для форсунки ЭШФ 7/10

Из анализа рис. 11 следует, что численное значение коэффициента эффективности Еа для форсунки ФЭТ при изменении коэффициента орошения р. в диапазоне 0,2-1,0 выше, чем у традиционно применяемых широкофакельных форсунок (ШФ 9/5, ЭШФ 7/10) и немного ниже при |х > 1,0.

На основе проведения численного эксперимента рассчитаны определяющий линейный размер водяных капель и требуемая поверхность тепломассо-переноса в ОКФ для разработанной форсунки ФЭТ и базовой форсунки ЭШФ 7/10. Эти данные приведены в табл. 1.

Анализ величин, представленных в табл. 1, свидетельствует о том, что при использовании форсунок эжекционного типа в ОКФ при одинаковых технологических и режимных параметрах процесса достигается (обеспечивается) численно меньший определяющий линейный размер капель распыляемой воды (/ < 1 мм) и, соответственно, требу ется меньшая величина поверхности тепломассопереноса, чем при работе эксцентриситетных широкофакельных форсунках ЭШФ 7/10 (14,94 м против 18 м2). По данной причине величина коэффициента орошения при использовании ФЭТ ниже, чем для ЭШФ 7/10.

Таблица 1

Установление определяющего линейного размера водяных капель при расчете требуемой поверхности тепломассопереноса в ОКФ

Тип Номер Определяющий Расчетная поверхность Требуемая

форсунки попытки линейный размер тепломассопереноса, , м2 расчетная

водяных капель (предварительный и фактический*), мм Поверхность теплообмена, м2 Поверхность массообмена, ^м, М2 поверхность тепломассопереноса, р 2

1 2 3 4 5 6

ФЭТ 1 1,0 15,20 15,12 14,50

2 0,8 13,17 13,20 17,00

3 0,9 14,21 14,18 15,50

4 0,95 14,71 14,65 15,00

5 0,97* 14,91 14,94 14,94

ЭШФ 7/10 1 1,0 15,20 15,12 24,00

2 0,8 13,17 13,20 28,00

3 1,4 18,80 18,47 17,00

4 13* 18,00 17,76 18,00

Приведенные расчетные данные также свидетельствуют об интенсификации процесса тепловлажностной обработки воздуха в контактном аппарате при применении разработанных форсунок ФЭТ.

С целью технического упрощения, снижения материалоемкости, энергоемкости, уменьшения стоимости контактных устройств для адиабатического увлажнения воздуха разработана серия контактных аппаратов роторного типа.

Схемы разработанных аппаратов приведены на рис. 12, 13.

Рис.12. Контактный аппарат роторного типа, работающий по прямоточной схеме: а - схема; б - общий вид; 1 - воздушный канал; 2 - камера; 3 - лопасти турбины; 4 - ось; 5 - поддон; 6 - поплавок; 7 - направляющие пластины; 8 - каплеуловитель; 9 - патрубки; 10 - гибкая вставка; 11 — вентилятор

Для оценки эффективности процесса увлажнения воздуха проведена серия опытов с применением математического метода планирования экспериментов. Был реализован полный факторный эксперимент ПФЭ 23.

\ I i

I 10

— —

Воздух

Рис. 13. Схема контактного аппарата роторного типа, работающего по схеме с рециокуляцией воздуха: 1 - конфузор; 2 - горловина; 3 - диффузор; 4 - оросительная камера; 5 - поддон для воды; 6 — крестообразная турбина; 7 - ось; 8 - поплавковое устройство;

9 - направляющее устройство; 10-каплеуловитель; 11,12 - патрубки;

13 - гибкая вставка; 14 - вентилятор; 15 - рециркуляционный воздуховод;

16 — воздушный клапан

В качестве факторов выбраны режимные параметры процесса: Хх - скорость воздуха в основном воздуховоде, м/с, Х2 - площадь лопастей турбины, м2; Х3 — коэффициент эжекции. Функцией отклика являлся коэффициент эффективности - К

Получено регрессионное уравнение, адекватно описывающее увлажнение воздуха в адиабатических условиях при уровне значимости а = 0,05.

у = 0,34 + 0,04 Ц + 0,057х2 + 0,047х3 + 0,18х,х2. (26)

С целью повышения коэффициента эффективности проведены дополнительные опыты по оптимизации процесса, был ревизован метод крутого восхождения.

В качестве базового фактора принят Х2 - площадь лопастей турбины, для него определен шаг движения в направлении градиента 0,08 м2. Остальные факторы стабилизировали на верхнем уровне (табл. 2).

Таблица 2

Номер опыта Х2,м2 Х\, м/с Х3 V

1 0,64 + + 0,52

2 0,72 + + 0,60

3 0,80 + + 0,62

4 0,88 + + 0,65

5 0,96 + + 0,68

Из анализа табл. 2 следует, что коэффициент эффективности удалось повысить с величины 0,52 (max значение в опытах ПФЭ 2 ) до 0,68, т. е. на 30,7 %.

Достоинствами увлажнителя роторного типа с рециркуляцией воздуха являются:

-повышение эффективности тепловл£1жностной обработки воздуха при адиабатических условиях за счет увеличения продолжительности контакта воздушного потока с увлажненной поверхностью и распыленной водой в контактном аппарате;

- возможность оперативного (гибкого) регулирования тепловлажностных характеристик воздушного потока в широком диапазоне.

В отличие от зарубежных аналогов они имеют меньшее количество приводных механизмов, меньшую материалоемкость, энергоемкость и стоимость.

Модернизация принципа двухступенчатого охлаждения воздуха позволила разработать способ глубокого охлаждения воздушного потока с помощью воды. При этом температура воздуха может быть снижена приблизительно до температуры точки росы.

Сущность разработанного способа представлена на рис. 14. а б

/, ч кДж' кг

--- /// —•

i р- уА 1 «1 nh 2'

х - н -я

\у <J„ - X

А

чм

х

Ф= 10(1%

Ai

d d, г.-'кг сух. BOM

Рис. 14. Схема и диаграмма многоступенчатого охлаждения воздуха: а - структурная схема; б—процессы охлаждения на I-dдиаграмме влажного воздуха:

1, lr, 1- поверхностные теплообменники; 2, 2 , 2 - контактные аппараты (градирни); 3 - насосы; ННЬ Н,Н2, Н2Н3 - сухое охлаждение воздуха на первой, второй, третьей ступени, соответственно; GH- массовый расход воздуха, кг/с

Элементы разработанной схемы многоступенчатого охлаждения воздуха I воды реализованы в компактной градирне (рис. 15).

¡К

потребителю

rxj—^

5

Рис. 15. Схема градирни с повышенной охлаждающей мощностью: 1 - корпус; 2 - насадка; 3 - распылитель (форсунка); 4 - каплеуловитель; 5 — воздухо-воздушный пластинчатый теплообменник; 6 - бак для воды; 7 - насос; 8 — вентилятор; а, б - шиберные задвижки; в, г - вентили; Н - наружный воздух; У — удаляемый воздух

Для оценки влияния режимных параметров процесса на эффективность охлаждения воды в градирне проведены экспериментальные исследования, реализован полный факторный эксперимент ПФЭ 23.

В качестве независимых переменных приняты: х, - расход воздуха в градирне (100-200), м3 /ч; х2 - плотность орошения (0,3-1,5), м3/(ч м2); х3 - время работы градирни (10 - 20), мин. Уровни их варьирования приведены в табл. 3.

В качестве функций отклика приняты: у, - температура охлаждённой воды в баке градирни, г„, °С; у2 - разность температур, М = (/м - ДД °С (температурный показатель); у3 - аэродинамическое сопротивление градирни, АР, мм вод. ст.

Все опыты дублировались и были рандомизированы во времени. На основе регрессионного анализа получены уравнения регрессии (27-29), приведены графические зависимости функции отклика от принятых факторов (рис. 16-18).

У\ = 17,25 - 0,05*1 - 0,15х2 - 0,28х3; (27)

у2 = 1,18 + 0,1 Зх, + 0,38x2 + 0,74х3; (28)

Уз = 31,6 + 9,0х,; (29)

продолжтелыюстъ работъц мин 13 03

20

Рис. 16 Зависимость Дг = /(т,^)

Рис. 17. Зависимость Д^ = /(т, С)

Рис. 18. Зависимость =

На втором этапе экспериментальных исследований проведены дополнительные опыты по оптимизации процесса (табл. 3).

В качестве параметра оптимизации выбран температурный показатель -У2, т.е. разность температур М = (/м - /Ж),°С.

Был реализован метод крутого восхождения. В качестве рабочих факторов приняты: Х\ — расход воздуха, Х2 — плотность орошения. Фактор Х3 — время работы градирни стабилизировали на основном уровне (Х3 = 15 мин).

Таблица 3

Результаты оптимизации__

Номер опыта Хи м3/ч Х2, м3/(ч м2) Хъ, мин Гъ °С

1 150 0,9 15 1,9

2 170 1,6 15 3,7

3 190 2,3 15 4,8

4* 210 3,0 15 -

Примечание.* Опыт 4 провести не удалось из-за ограниченных конструктивных и режимных параметров опытного образца градирни.

М ч

300

АІ'ИКВШНИ»-

Двюкение по градиенту при оптимизации процесса представлено на рис. 19.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность эффективного охлаждения воды в компактной градирне с многоступенчатым охлаждением воздуха, воду можно охлаждать до температуры на несколько градусов ниже, чем температура окру-■ »'('»о жающего воздуха по мокрому термометру. Также определены значимые факторы, позволяющие увеличить указанную разность температур, т.е. повысить охлаждающий эффект. Для градирен испарительного типа, традиционно выпускаемыми отечественными производителями, теоретическим пределом охлаждения воды является температура наружного воздуха по мокрому термометру, практически же вода в них охлаждается на 3.. .5 °С выше температуры мокрого термометра воздуха.

0.3 0,9 1,5 2,1 2.7 34 %

Рис. 19. Движение по градиенту при отыскании функции отклика

Проведен комплекс экспериментальных исследований по оценке эффективности применения электроактивированных сред (ЭАС) для тепловлаж-ностной обработки воздуха, изучено влияние ЭАС на бактерицидные свойства воздушной среды. Исследования базировались на работах В.М.Ба-хира, В.М.Рогова, В.Л.Филипчука, П.Р.Таубе и др.

Электрохимическая активация (ЭХА) основана на процессах, характерных для электролиза. Электрохимическая активация осуществляется путём катодной или анодной (униполярной) электрохимической обработки воды в диафраг-менном электрохимическом реакторе. Диафрагма выполняется в виде диэлектрической перегородки (в качестве материала может использоваться брезент, ткани, керамика и др.), она располагается между электродами реактора.

В процессе ЭХА происходит изменение кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных свойств воды различной степени минерализации безреагентным методом с получением экологически чистых растворов. Раствор может быть использован в течение времени релаксации в технологических процессах.

В результате униполярной электрохимической обработки вода (католит) в катодной камере реактора насыщается продуктами катодных электрохимических реакций: гидроксидами металлов, образовавшимися из растворённых солей, гидроксидионами, водородом. При анодной обработке на нерасходуе-мом электроде вода (анолит) насыщается продуктами окисления: кислотами, синтезированными из растворённых солей, кислородом. Возможные значения рН, ЕЬ электроактивированной воды представлены на рис. 20.

ИСС-'ЮДУСМЙ!

області.

14.0

Врзюродный показатель. рН

Рис. 20 Область возможных значений ЕЬ и рН электрохимически активированной воды: 1,2 - теоретические границы термодинамической устойчивости воды; 3,4-границы термодинамической устойчивости веществ в продуктах электроактивации; 5 — теоретическая равновесная зависимость между рН и ЕЙ

На основании проведенных исследований ЭАС разработан и изготовлен опытный образец установки для создания бактерицидных воздушных сред в системах вентиляции и кондиционирования - УБС (рис. 21).

Рис.21. Установка для создания бактерицидных воздушных сред (УБС):

1 — вентилятор; 2 - контроллер; 3 - нижний поддон для ЭАС; 4,5 - гибкие подводки; 6 — насос; 7 - ротаметр; 8 — камера увлажнения; 9 - верхний поддон для ЭАС; 10 - пленочный увлажнитель

На основе регрессионного анализа экспериментальных данных выявлено, что при увлажнении воздуха ЭАС (рН = 4) с последующей суточной выдержкой число колоний в воздушной среде уменьшилось с 522 до 227 (в 2,3 раза), также число колоний микроорганизмов в воздухе, обработанного водопроводной водой, в течение суток увеличилось с 462 до 522, т.е. на 13 %;

Таким образом, при увлажнении внутреннего воздуха жидкими ЭАС можно создавать бактерицидную воздушную среду в помещении.

В пятой главе приведены сведения по разработке процессов и оборудования для тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования на основе твердых сорбентов. В качестве научной базы при совершенствовании типового оборудования и процессов СКВ использовались работы М.М.Дубинина, Н.В.Кельцева, С.М.Анисимова, В.Ф.Васильева, О.Я.Коко-рина, Ю.И. Шумяцкого, С.И. Дворецкого, И.Е.Неймарка и др.

Описаны устройство, работа разработанного кондиционера круглогодичного действия на основе адсорбционного осушения воздуха и схемы его монтажа, принята конструкция аппарата с непрерывно вращающимся слоем адсорбента, т.к. она компактна и занимает меньшую производственную площадь. Адсорбентом является гранулированный силикагель марки КСМ (рис. 22).

Приведены схемы обработки воздушных потоков на 1-с1 диаграмме влажного воздуха для теплого и холодного периодов. Представлены расчетные конструктивные характеристики для корпуса осушителя кондиционера.

Используя разработанный метод расчета высоты сорбционного слоя, проведен численный эксперимент по уточнению зависимости глубины осушения воздуха от режимных параметров процесса (рис. 23).

Из анализа графиков, представленных на рис. 23, следует, что глубина осушения воздушного потока повышается с увеличением числа единиц переноса и снижением отношения водяных эквивалентов воздуха и силикагеля.

ґА.,Внутренний ооздух

Воздух в Помещение

Рис. 22. Принципиальная схема кондиционера круглогодичного действия: 1 - воздушный фильтр для наружного воздуха; 2 - вентилятор для наружного воздуха; 3 - корпус с вращающимся барабаном для силикагеля; 4 - воздушный фильтр для внутреннего воздуха; 5 - воздухонагреватель; 6 - вентилятор для внутреннего воздуха; 7 - воздухоохладитель; 8 - сектор адсорбции; 9 - сектор регенерации адсорбента; 10 - байпасный воздуховод; 11 - рама;

12 - вертикальная ось рамы (шарнир)

Рис.23. Зависимость глубины осушения воздушного

потока - Ас1 зернистым слоем силикагеля от числа единиц переноса —А^ и

отношения водяных эквивалентов воздуха и силикагеля - Ж: о-для Ж =3,0-Ю-2; д А-для IV = 2,0• 10-2

Приведены сведения по разработке эффективного способа и оборудования для утилизации теплоты удаляемого воздуха с промежуточным теплоносителем на основе сорбционных процессов (рис. 24).

В традиционных установках утилизации, работа которых основана на процессе теплопередачи, полная конденсация водяных паров, содержащихся в удаляемом воздухе (абсолютное осушение), возможна только при охлаждении воздуха до абсолютного нуля (на 1-с1 - диаграмме влажного воздуха кривая полного насыщения ф = 100% пересекает ось энтальпии / при / = -273 °С), что осуществить в условиях работы СКВ практически не реально. Применяя сорбцию водяных паров на твердых сорбентах, среди которых наиболее предпочтительным является силикагель, можно выделить скрытую теплоту парообразования всех паров в виде теплоты фазового перехода при комнатной температуре (см. рис.24).

Рис. 24. Принципиальная схема утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха из помещений на основе твердых сорбентов: 1,2 - теплообменники-адсорберы; 3 - поверхностный теплообменник; 4 - насос; 5 - расширительный бак; 6 - приточный вентилятор; 7 - вытяжной вентилятор, 8,9,10,11,12,13,14,15 - клапаны-отсекатели; 16,17 - вентили;

18 — шиберная задвижка

Технический результат достигается тем, что воздухоохладитель наделяется функциями адсорбера и теплообменного аппарата (назовем его теплообменник-адсорбер 1,2). Предварительно в теплообменнике-адсорбере воздушный поток пропускают через слой зернистого адсорбента (силикагеля) для осушения и выделения теплоты адсорбции (рис. 25). Теплота адсорбции и часть явной теплоты воздушного потока за счет теплопередачи отбираетея промежуточным теплоносителем (водным раствором пропиленгликоля) и передается наружному воздуху в поверхностном теплообменнике 3 для его подогрева.

Активацию (регенерацию) адсорбента предлагается проводить методом вытеснительной десорбции, т.е. применяя принцип безнагревного процесса десорбции.

Для обеспечения непрерывности процесса предусмотрено два адсорбера-воздухоохладителя: один работает в режиме утилизации скрытой и явной теплоты воздуха, другой — в режиме активации (регенерации) сорбента. Через слой силикагеля, подлежащего активации, пропускают удаляемый абсолютно осушенный воздух, полученный в соседнем теплоизвлекающем теплообменнике, перед выбросом его в атмосферу.

Изменение параметров воздушного потока при утилизации его теплоты представлено на 7-й? диаграмме влажного воздуха (рис. 26).

г

Рис. 25. Схема теплообменника-

адсорбера: 1 - корпус; 2 - трубные решетки;

3 — трубы, содержащие неподвижный слой гранулированного

адсорбента (силикагеля); 5,6 — патрубки для входа и выхода воздушного потока; 7,8 — патрубки для входа и выхода промежуточного теплоносителя; £>к - внутренний диаметр кожуха; t - шаг; Ъ - число труб по диагонали шестиугольника

кДж/кг А

j ■У,

'я XZ — 4 / / - Ф «1

1, v-

" /У

/

d. г/кг сух. ROM.

Рис. 26. Изменение параметров удаляемого воздуха в процессе утилизации его теплоты на основе твердых сорбентов

Физический смысл отрезков, приведенных на рис. 26, следующий:

• У,А — осушение удаляемого воздуха от начального влагосодержания dy\ до 0 (адсорбция водяных паров силикагелем, процесс происходит при /у1 -const с повышением температуры из-за выделения теплоты адсорбции);

• АД - сухое охлаждение воздуха (отбор теплоты адсорбции и явной теплоты воздуха промежуточным теплоносителем);

• ДУ2 - изоэнтальпийное увлажнение воздуха (процесс осуществляется на стадии активации адсорбента при десорбции водяных паров из порового пространства силикагеля в воздух. С параметрами т. У2 воздух выбрасывается в атмосферу);

• У1У2 _ охлаждение и осушение воздуха в традиционном способе утилизации теплоты.

I.[*■'.(.'*'>

Приращение количества утилизированной теплоты в разработанном способе А<2, кВт равно:

Ь<2 = <2т=Од№=С-(</у1 - 0) • Ю-3 • дт = С - «Гу1 ■ 1(Г3 • 2930 = 2,93 • О ■ с1у1, (30)

где б - расход удаляемого воздуха, кг/с;

(1У1 — влагосодержание удаляемого воздуха, г/кг сух. возд.;

<7адс ~ полная удельная теплота адсорбции, кДж/кг (</адС = 2930 кДж/кг);

Ь — количество водяных паров, сорбируемых адсорбентом, кг/с.

Установлено, что количество утилизируемой теплоты удаляемого воздуха в теплоутилизаторе на основе сорбции водяных паров сшшкагелем выше в 1,9 раза, чем в традиционных конструкциях (при применении утилизаторов регенеративного, рекуперативного типа, или утилизатора с промежуточным теплоносителем).

Ожидаемая годовая экономия от внедрения теплоутилизатора на основе твердого сорбента составляет 83,5 тыс. руб./(кгс"') обрабатываемого воздуха.

В шестой главе приведены результаты внедрения разработанных устройств в производство.

Промышленные испытания и внедрения разработанных контактных аппаратов проводились в период реконструкции центральных систем кондиционирования воздуха. Они подтвердили их работоспособность и эффективность.

На стадии проектирования, изготовления и в процессе пусконаладочных работ по апробации разработанных устройств тепловлажностной обработки воздуха в СКВ использовались методология и экспериментальные зависимости, полученные автором диссертации.

Общий экономический эффект от внедрения разработанных устройств тепловлажностной обработки воздуха на гражданских и промышленных объектах г. Пензы составил свыше 20 млн руб./год (от внедрения форсунок эжекционного типа в центральной СКВ кинотеатра Современник - 0,59 млн руб./год, от внедрения увлажнителей роторного типа в Дворце спорта Буртасы — 5,21 млн. руб./год, от внедрения увлажнителя на основе электроактивированных сред в ОАО Пензенский тепличный комбинат при выращивании овощей — 14,40 млн руб./год).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе анализа, ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований, установлено, что современные системы кондиционирования воздуха занимают ведущее положение в обеспечении микроклимата помещений, на его создание затрачивается свыше 40% всех энергоресрсов, добываемых в стране. Проблема модернизации СКВ, характеризующихся большой материалоемкостью, повышенной энергоемкостью, высокой стоимостью, является актуальной задачей. Создание современных высокоэффективных СКВ требует решения ряда задач по совершенствованию способов и оборудования для тепловлажностной обработки воздушной среды, а также разработку новых методов их расчета. Важным направлением рационального использования энергоресурсов в СКВ и вентиляции является утилизация теплоты, содержащейся в удаляемом воздухе вентиляционными и технологи-

ческими установками, для нагрева приточного воздуха. Для регионов России наиболее эффективной является система утилизации теплоты с промежуточным теплоносителем (установка из двух рекуперативных теплообменников с насосной циркуляцией антифриза между ними).

2. Получена математическая зависимость для инженерного расчета температуры мокрого термометра воздуха, на ее основе построены соответствующие графические зависимости, которые позволяют определить (рассчитать) исходную энтальпию, влагосодержание и давление водяных паров в насыщенном состоянии воздушной среды, если известна температура мокрого термометра воздуха при данном барометрическом давлении.

3. Разработаны методики определения площади поверхности тепло- и мас-сообмена в контактных аппаратах систем кондиционирования воздуха на основе применения числа единиц переноса:

— при обработке воздуха водой в адиабатических и политропических режимах. Она позволяет раздельно рассчитать и выполнить сравнительную оценку требуемой поверхности для реализации теплообменного и массообменного процесса, проводить поверочные и конструктивные расчеты контактных аппаратов тепловлажностной обработки воздуха. Определение числа единиц переноса осуществляется методом графического интегрирования, необходимые графические построения и расчеты предлагается проводить на основе диаграммы влажного воздуха. Для этого разработан программный продукт (ТВОВ

( 1С), обеспечивающий компьютеризацию трудоемких операций как на стадии проектирования центральных систем СКВ, так в процессе эксплуатации;

— при осушении воздуха на основе твердого сорбента — силикагеля для различных режимов (изоэнтальпийного, изотермического, политропического) с применением, разработанной автором диссертации, модифицированной /-с/ диаграммы влажного воздуха, на которой дополнительно нанесены изолинии равновесного влагосодержания силикагеля марки КСМ.

4. Теоретически и экспериментально обоснован и разработан косвенный метод расчета определяющего линейного размера (эффективного диаметра) капель распыляемой воды механическими форсунками в потоке воздуха для различных режимов тепловлажностной обработки воздуха (адиабатического увлажнения, охлаждения; политропического осушения и охлаждения) с применением математических зависимостей коэффициентов адиабатической, эн-тальпийной эффективности от коэффициентов орошения: Е.л =Д(1), Еп =Дц).

5. Разработан универсальный лабораторный стенд для проведения экспериментальных исследований тепловлажностной обработки воздуха в контактных устройствах, который позволил реализовывать процессы обработки воздуха в условиях форсуночного, пленочного, роторного орошения водой.

6. На основе экспериментальных исследований по интенсификации конвективного теплообмена при охлаждении воздушных потоков получены:

-эмпирическое уравнение для расчета коэффициента теплопередачи в трубчатом оребренном теплообменнике - воздухоохладителе при охлаждении воздушных потоков различной относительной влажности. Установлено, что значимыми факторами интенсификации процесса являются: массовая скорость воздуха, его относительная влажность, линейная скорость воды в трубном

пространстве теплообменника. Также получены математические зависимости в виде регрессионных уравнений для определения коэффициентов конвективного теплообмена в оребренном теплообменнике — воздухоохладителе.

— регрессионные и критериальные уравнения для расчета конвективного теплообмена и аэродинамического сопротивления при движении двухфазного воздушного потока в прямоугольном канале. Установлено, что повышение теплоотдачи за счет ввода твердых частиц в воздушный поток превосходит увеличение его аэродинамического сопротивления.

7. Предложено принципиально новое техническое устройство для диспергирования воды в потоке воздуха - форсунка эжекционного типа (ФЭТ), принцип действия которой основан на эффекте Вентури. Данное устройство создает большую турбулентность воздушной среды в рабочем объеме форсуночной камеры, увеличивает продолжительность контакта воздуха с водой. Форсунка ФЭТ характеризуется высоким коэффициентом эффективности при небольших численных значениях коэффициента орошения (ц = 0,1... 1,0 кг/кг), он выше, чем у традиционно применяемых центробежных широкофакельных форсунок ШФ 9/5 и ЭШФ 7/10 (£а= 0,61 против £а = 0,28 и £а = 0,31). Также установлено, что при адиабатическом увлажнении воздуха и равных режимных параметрах воздушной среды в контактном аппарате, при применении ФЭТ определяющий линейный размер (эффективный диаметр) капель распыляемой воды меньше, чем у традиционных форсунок ЭШФ 7/10, соответственно, больше их количество и величина поверхности тепломассопереноса. При этом численное значение коэффициента орошения при использовании ФЭТ ниже, чем для форсунок ЭШФ 7/10.

8. Разработана серия технических устройств (контактных аппаратов роторного типа) для тепловлажностной обработки воздуха, работающих по прямоточной схеме и с рециркуляцией воздушного потока. Данные аппараты компактны, имеют уменьшенный расход электрической энергии (снижение расхода электроэнергии составляет более, чем в 25 раз по сравнению с камерами форсуночного распыления), у них отсутствуют приводные механизмы для турбины, насос для подачи воды. На основе теоретических и экспериментальных исследований получены математические модели, адекватно описывающие увлажнение воздуха в адиабатических условиях в виде регрессионных уравнений при уровне значимости 0,05. Осуществлена оптимизация процесса по методу крутого восхождения, что позволило повысить коэффициент эффективности при адиабатическом увлажнении воздуха в аппарате роторного типа до 0,68, т.е. до рабочих технологических значений.

9. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложена эффективная конструкция кондиционера круглогодичного действия с применением адсорбционного осушения воздуха и схема его монтажа, разработаны схемы обработки воздушного потока для теплого и холодного периода года на I-d диаграмме влажного воздуха. Результаты конструктивного расчета корпуса осушителя кондиционера свидетельствуют о сопоставимости его линейных размеров с размерами известных кондиционеров оконного типа. На основе численного эксперимента получена зависимость глубины осушения воздуха в кондиционере от режимных параметров

процесса (числа единиц переноса и отношения водяных эквивалентов рабочих сред) Ас/ = /(Ы,\У).

10. Теоретически и экспериментально обоснован, а также разработан способ глубокого охлаждения воды и воздуха для СКВ на основе многоступенчатого косвенного и прямого охладительного процесса рабочих сред. Стадии способа реализованы в компактной градирне с повышенной охлаждающей мощностью, в которой воду можно охлаждать до температуры ниже мокрого термометра наружного воздуха, что недостижимо для традиционных градирен испарительного типа. Получены математические зависимости в виде регрессионных уравнений, адекватно описывающие влияние технологических факторов на охлаждение воды в градирне при уровне значимости 0,05, осуществлена оптимизация процесса охлаждения воды в данном устройстве. Экспериментально установлено, что вода в градирне охлаждается на 3...4,8 °С ниже, чем температура окружающего воздуха по мокрому термометру, что соответствует снижению расхода электроэнергии на привод компрессора холодильной машины на 15...20 %.

11. Для повышения количества отбираемой теплоты удаляемого воздуха из помещений разработан новый способ утилизации на основе применения твердых сорбентов (принципиальная технологическая схема, основное оборудование). Установлено, что количество утилизируемой теплоты удаляемого воздуха в разработанном способе превышает до 2 раз по сравнению с традиционными схемами утилизации за счет полного отбора скрытой теплоты водяных паров воздуха, содержащихся в нем на начальной стадии процесса,

12. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана технология получения бактерицидной воздушной среды с применением электроактивированных жидких сред (ЭАС) при адиабатическом увлажнении воздуха в контактном аппарате пленочного типа (определены параметры процесса, разработано соответствующее оборудование). Установлено, что при увлажнении воздуха ЭАС с рН = 4 и последующей суточной выдержкой, число колоний микроорганизмов в воздушной среде снижается более, чем на 20 %, при увлажнении воздуха водопроводной водой - увеличивается на 13 %. Создание бактерицидных воздушных сред на основе ЭАС в системах кондиционирования воздуха рекомендуются для предприятий агропромышленного комплекса: парниковых хозяйств при выращивании овощей, цветов, при подготовке овощехранилищ к хранению продукции и др.

13. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию устройств тепловлажностной обработки воздуха апробированы на гражданских и промышленных объектах региона (кинотеатр Современник, Дворец спорта Буртасы, ОАО Пензенский тепличный комбинат).

Суммарный экономический эффект от внедрения научных разработок составил свыше 20 млн. рублей в год (в ценах 2012 г.).

Ожидаемая годовая экономия от внедрения теплоутилизатора на основе твердого сорбента составляет 83,5 тыс. руб./(кг с"1) обрабатываемого воздуха.

Созданные технические устройства и экспериментальные стенды используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 550100 - Строительство.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Научные статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Аверкин, А.Г. Разработка форсунки эжекционного типа для интенсификации тепловлажностной обработки воздуха / А.Г .Аверкин, Н.А.Орлова // Известия высших, учебных заведений. Строительство. -2003. - №1. - С. 66-68.

2. Аверкин, А.Г. К вопросу утилизации теплоты удаляемого воздуха в системах вентиляции и кондиционирования / А.Г.Аверкин // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2007. - №7. — С. 76-81.

3. Аверкин, А.Г. Кондиционер круглогодичного действия без применения фреонов / А.Г.Аверкин // Экология урбанизированных территорий. - 2008. — №2. - С. 25-28.

4. Аверкин, А.Г. Теплообмен между двухфазным потоком и металлической стенкой в аппарате вихревого типа / А.Г.Аверкин, П.М.Гофман, Б.Д.Левин, Э.Д.Левин // Теоретические основы химической технологии. Академия наук СССР - 1981. - Т. XV, №4. - С. 606-607.

5. Аверкин, А.Г. Определение поверхности тепломассопереноса в контактном аппарате при обработке воздуха водой / А.Г.Аверкин // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. — 2010.-Вып. 17 (36).-С. 114-118.

6. Аверкин, А.Г. Лабораторный стенд для тепловлажностной обработки воздуха / А.Г.Аверкин, Н.В.Коршунова // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. — 2010. — Вып. 19 (38). — С. 128-132.

7. Аверкин, А.Г. Совершенствование тепловлажностной обработки рабочих сред в градирнях / А.Г.Аверкин, А.И.Еремкин Н Региональная архитектура и строительство. -2010. -№1. - С. 124-131.

8. Аверкин, А.Г. Методика расчета контактных аппаратов для тепловлажностной обработки воздуха на основе числа единиц переноса / А.Г.Аверкин // Региональная архитектура и строительство. — 2010. — №2. — С. 122-128.

9. Аверкин, А.Г. Инженерный расчет температуры мокрого термометра воздуха и энтальпии рабочих сред при адиабатическом увлажнении воздуха / А.Г.Аверкин // Приволжский научный журнал. - 2011. - №1. - С. 65-70.

10. Аверкин, А.Г. Совершенствование методики расчета устройств тепловлажностной обработки воздуха на основе числа единиц переноса / АХ.Аверкин, А.И.Еремкин // Научно-технический журнал. Вестник МГСУ. - 2011. -№7. - С. 362-369.

11. Аверкин, А.Г. Создание бактерицидной воздушной среды на основе применения электроактивированной воды в системах кондиционирования воздуха / А.Г.Аверкин, А.И.Еремкин, В.АЛеонтьев, О.В.Тараканов, Г.И.Грейсух // Региональная архитектура и строительство. - 2012. - №1. - С. 140-147.

12. Аверкин, А.Г. Экспериментальные исследования эффективности работы устройств для удаления загрязненного воздуха из помещения / А.Г.Аверкин, М.А.Иванкин, Ю.В.Родионов, О.В.Тараканов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - №2(26). - С. 23-28.

13. Аверкин, А.Г. Методика расчета осушителей воздуха на твердом сор-

бенте с применением I-d диаграммы влажного воздуха / А.Г.Аверкин // Приволжский научный журнал. -2012. — №2. - С. 109-114.

14. Аверкин А.Г. Методическое и программное обеспечение расчета поверхности тепломассообмена контактных аппаратов при обработке воздуха водой на основе числа единиц переноса / А.Г.Аверкин, В.Г.Камбург, А.С.Колесников // Приволжский научный журнал. - 2012. — №3. - С. 117-123.

15. Аверкин, А.Г. Экспериментальные исследования конвективного теплообмена при охлаждении воздушного потока различной относительной влажности в оребренном теплообменнике / А.Г.Аверкин, А.И.Еремкин, Ю.В.Родионов, О.В.Тараканов //Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. — 2012. — №1(19). — С. 74-80.

16. Аверкин, А.Г. Кондиционер круглогодичного действия для жилых и офисных помещений / А.ГАверкин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.—2012. - №3(27).—С. 37-46.

17. Аверкин, А.Г. Косвенный метод оценки определяющего линейного размера капель распыляемой воды механическими форсунками в потоке воздуха /А.Г.Аверкин, А.И.Еремкин, В.Г.Камбург // Региональная архитектура и строительство. - 2012. — N°3. — С. 133-138.

Монографии

18. Еремкин, А.И. Создание бактерицидных воздушных сред при выращивании овощей в закрытом грунте / А.И. Еремкин, А.Г.Аверкин, В.А. Леонтьев. - М„ 2002. - 140 с. - Деп. в ВИНИТИ 30.07.02., № 1426 - В2002.

19. Аверкин, А.Г. Тепловлажностная обработка воздуха в системах вентиляции и кондиционирования / А.Г.Аверкин. - Пенза: ПГУАС, 2011. - 188 с.

Материалы научно-технических конференций и других изданий

20. Аверкин, А.Г. Повышение эффективности работы форсуночных камер / А.Г.Аверкин, Н.А.Орлова // Достижения в теории и практике теплогазоснаб-жения, вентиляции, кондиционирования воздуха и охраны воздушного бассейна: материалы Междунар. юбил. науч.-техн. конф, посвящ. 100-летию кафедр - С-Пб., 1997. - С. 29-30.

21. Аверкин, А.Г. Кондиционирование помещений больничных учреждений / А.Г.Аверкин, В.А.Леонтьев // Материалы XVI межвузовской науч.-техн. конф. посвящ. 370-летию г. Красноярска. - Красноярск, 1998. - С. 116-117.

22. Аверкин, А.Г. К вопросу интенсификации процесса теплопередачи в воздуховодяных теплообменниках / АГАверкин, К.В.Ханин // В сб. Материалы XXXВсероссийской научно-технической конференции.-Пенза, 1999.-С. 19-20.

23. Форсунка эжекционного типа / А.Г.Аверкин, Н.А.Орлова, Е.А.Панов, С.В.Федин // Информационный листок № 49-00, Пенза: ЦНТИ, 2000. - 4с.

24. Аверкин, А.Г. Исследование влияния электроактивированных сред на биологическую активность воздушной среды / А.Г.Аверкин, В.А.Леонтьев // Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. Международный научно-практический семинар. -Пенза, 2001.-С. 78-79.

25 Аверкин, А.Г. Об интенсификации теплоотдачи воздушных потоков / А.Г.Аверкин, Б.Д.Левин, Э.ДЛевин // Проблемы энерго и ресурсосбережения

в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. 4-я Междунар. науч.-практ. конф. — Пенза, 2003. — С. 43-45.

26. Аверкин, А.Г. К расчету коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи в рекуперативных теплоутилизаторах систем вентиляции и кондиционирования воздуха / А.Г.Аверкин // Проблемы энерго и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. V Междунар. науч.-практ. конф. — Пенза, 2004. — С. 21-23.

27. Аверкин, АР. Инновационные технологии на базе энерго и ресурсосбережения в системах вентиляции и кондиционирования воздуха / А.Г.Аверкин // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. VI Междунар. науч.-практ. конф. -Пенза, 2005. - С. 13-16.

28. Аверкин, А.Г. Градирня с повышенной охлаждающей мощностью / А.Г.Аверкин // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. VII Междунар. науч.-практ. конф. — Пенза, 2006. - С. 23-25.

29. Аверкин, А.Г. Применение твердых сорбентов для тепловлажностной обработки воздуха / А.Г.Аверкин, О.А.Михайлова, МА.Иванкин // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. VIII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2007. - С. 49-51.

30. Аверкин, А.Г. Разработка оборудования для увлажнения и охлаждения воздуха / А.Г.Аверкин, А.И.Еремкин // Региональная архитектура и строительство. -2007.- №1.- С. 68-74.

31. Аверкин, А.Г. Контактные аппараты для адиабатического увлажнения и охлаждения воздуха / А.Г.Аверкин, А.И.Еремкин // Инженерные системы. АВОК - Северо-Запад. - 2007. - №1 (27). - С. 24-29.

32. Аверкин, А.Г. Градирня на основе косвенно-испарительного охлаждения воздуха / А.Г.Аверкин, А.И.Еремкин // Инженерные системы. АВОК -Северо-Запад. - 2008. - №4 (37). - С. 68-70.

33. Аверкин, А.Г. К оценке эффективности работы контактного аппарата /А.Г.Аверкин, Е.Д.Галкина, А.И.Мнекин // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. IX Междунар. науч.-практ. конф. — Пенза: ПГУАС, 2008. - С. 28-31.

34. Аверкин, А.Г. Глубокое охлаждение воздуха с помощью воды / А.Г.Аверкин // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. X Междунар. науч.-практ. конф. -Пенза, 2009.-С. 15-19.

35. Аверкин, АХ. Оптимизация работы градирни с косвенно-испарительным охлаждением воздуха / А.Г.Аверкин, Н.В.Коршунова, МА.Иванкин, А.И.Мнекин // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. X Междунар. науч.-практ. конф. -Пенза, 2009. - С. 23-26.

36. Аверкин, А.Г. Градирня на основе косвенно-испарительного охлаждения воздуха и оценка эффективности ее работы / А.Г.Аверкин // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции, сборник докладов Ш Междунар. науч.-техн. конф. — М., 2009. — С. 235-240.

37. Аверкин, А.Г. Совершенствование контактных аппаратов для увлажнения воздуха /А.Г.Аверкин, А.А.Князев // Энергосбережение в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве. Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. - Махачкала, 2009. - С. 76-79.

38. Аверкин, А.Г. Многоступенчатое охлаждение воздуха и воды и его практическая реализация / А.Г.Аверкин // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. VII Междунар. науч. конф.. - Волгоград, 2009. - С. 351-357.

39. Аверкин, А.Г. Применение твердых сорбентов для утилизации низкопотенциальной теплоты в системах вентиляции и кондиционирования воздуха / АГ.Аверкин // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. VIII Междунар. науч. конф.17-21 мая 2010, г. Самарканд- Волгоград, 2010. - С. 248-253.

40. Аверкин, А.Г. К вопросу интенсификации теплообмена в пластинчатых воздухо-воздушных теплообменниках / А.Г.Аверкин, А.О.Мнекин // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилшцно-комму-напьном комплексах. XI Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2010. - С. 40-42.

41. Аверкин, А.Г. Программное обеспечение для проектирования центральных систем кондиционирования воздуха / А.Г.Аверкин, А.С.Колес-ников, В.Г.Камбург // Информационно-вычислительные технологии и их приложения. XV Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2011. — С. 58-65.

42. Аверкин, А.Г. Разработка кондиционера круглогодичного действия на основе адсорбционного осушения и многоступенчатого косвенно-испарительного охлаждения воздуха / А.Г.Аверкин // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. IX Междунар. науч. конф. 17-22 мая 2011, г. Кошалин. -Волгоград, 2011. - С. 351-357.

43. Аверкин, А.Г. Сушилка для рук и волос на основе адсорбционного способа осушения воздуха / А.Г.Аверкин, Ю.А.Аверкин // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. X Междунар. науч. конф.13-20 мая 2012, г. Будапешт, 2012. - С. 199-206.

44. Аверкин, А.Г. К вопросу расширения области применения I-d диаграммы влажного воздуха / Аверкин А.Г., Еремкин А.И. // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. XI Междунар. науч. конф. 23 марта — 5 апреля 2013, г. Ханой, 2013. - С. 186-190.

Патенты РФ

45. Форсунка для распыления жидкости в газовой среде: пат. 2135892 Рос.. Федерация: МПК 6F23D 11/24 / Аверкин А.Г., Панов Е.А., Федин С.В., Орлова H.A.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. архит.-строит. акад. -№ 97115527; заявл. 09.09.97; опубл.27.08.99, Бюл. № 24.

46. Способ утилизации теплоты газового (воздушного) потока: пат. 2138742 Рос..Федерация: МПК 6F24F 12/00 / Аверкин А.Г., Еремкин А.И., Мишанин С.И.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит,- № 97115330; заявл. 09.09.97; опубл.27.09.1999, Бюл. № 27.

47. Способ охлаждения воздушного потока: пат. 2243451 Рос. Федерация: МПК F24F 3/14 / Аверкин А.Г.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит,- № 2002104376; заявл. 18.02.02; опубл. 27.12.2004, Бюл. № 36.

48. Способ утилизации теплоты газового (воздушного) потока: пат. 2300056 Рос..Федерация: МПК F24F 3/14 / Аверкин А.Г.; заявитель и

патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит,- № 2005104727; заявл. 21.02.05; опубл.10.05.2007, Бюл. № 15.

49. Устройство для тегатовлажностной обработки воздуха: пат. 2236647 Рос..Федерация: МПК 6F24F 3/14 / Аверкин АГ., Еремкин А.И., Леонтьев В.А,; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. архит.-строит.акад.-№2001120214; заявл. 18.07.01; опубл.10.04.03, Бюл. № 10.

50. Устройство для тепловлажностной обработки воздуха: пат. 2270958 Рос. Федерация: МПК F24F 3/14 6/02 / Аверкин А.Г., Еремкин А.И., Королева Т.Н., Корсун С.А., Хлыстов A.B.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит,- № 2003108202; заявл. 24.03.03; опубл. 27.02.06, Бюл. № 6.

51. Устройство для охлаждения воды: пат. № 2274813 Рос..Федерация: МПК F28C 1/00 / Аверкин А.Г., Еремкин А.И., Миронов К.В., Родионов О.В..; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит.- № 2004115007; заявл. 17.05.04; опубл.20.04.06, Бюл. № 11.

52. Устройство для тепловлажностной обработки воздуха: пат. 2294490 Рос. Федерация: МПК F24F 6/12 / Аверкин А.Г., Еремкин А.И., Галкин К.А., Князев A.A.,; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит,- № 2005116387; заявл. 30.05.05; опубл. 27.02.07, Бюл. № 6.

53. Устройство для тепловлажностной обработки воздуха и способ его монтажа: пат. 2292518 Рос..Федерация: МПК F24F 3/147 3/153 13/32 / Аверкин А.Г.; заявитель и патентообладатель Аверкин А.Г. - № 2005104208; заявл. 16.02.05; опубл. 27.01.07, Бюл. № 3.

54. Лабораторный стенд для тепловлажностной обработки воздуха: пат. 87782 Рос.Федерация: МПК F24F 3/04 G09B 23/00 / Аверкин А Г., Еремкин А.И., Миронов К.В., Мишанин С.И., Коршунова Н.В.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит,- №2009104260; заявл. 09.02.09; опубл.20.10.09, Бюл. № 29.

55. Устройство для вытяжки загрязненного воздуха из помещений: пат. 2410608 Рос. Федерация: МПК F24F 7/02 / Аверкин А.Г., Еремкин А.И., Иван-кин М.А., Миронов К.В.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит,- № 2008122123/06; заявл. 02.06.08; опубл. 27.01.11, Бюл. № 3.

56. Сушилка для рук и волос: пат. 2233777 Рос..Федерация: МПК 6 F24F 3/14 / Аверкин А.Г., Аверкин Ю.А.; заявитель и патентообладатель Аверкин А .Г. №2010108898/12; заявл. 09.03.2010; опубл.20.11.2011, Бюл. № 32.

57. Счетное устройство: пат. 109596 Рос..Федерация: МПК G07C 3/10 / Аверкин А.Г., Еремкин А.И., Мишанин С.И., Савицкий Е.А., Тренин И.Ю.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит. -№2010143005/08; заявл. 20.10.2010; опубл.20.10.2011, Бюл. № 29.

Аверкин Александр Григорьевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 5.07.2013. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать на ризографе. Уч.-изд.л. 2,0. Тираж 100 экз.

Заказ №142. _

Издательство ПГУАС. 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28. E-mail: postmaster@pgasa/penza/com/ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

0&Ш381842

Аверкин Александр Григорьевич

На правах рукописи

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Еремкин А.И.

Пенза 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................6

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР УСТРОЙСТВ

ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА..................13

1.1. Способы тепловлажностной обработки воздуха

в системах вентиляции и кондиционирования................................13

1.2. Контактные аппараты для обработки воздуха водой.........................22

1.3. Физико-математические модели процессов тепломассопереноса

в аппаратах контактного типа...................................................34

1.4. Оценка эффективности работы контактных аппаратов тепловлажностной обработки воздуха.........................................39

1.5. Физико-математические модели процессов тепломассопереноса в поверхностных теплообменниках систем кондиционирования воздуха и методы их расчета....................................................43

1.6. Существующие способы и оборудование для утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха.........................53

1.7. Оценка эффективности работы утилизаторов теплоты

удаляемого воздуха...............................................................73

Выводы по главе..........................................................................76

Глава 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА УСТРОЙСТВ

ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА.................79

2.1. Разработка инженерной методики расчета температуры воздуха

по мокрому термометру..........................................................79

2.2. Разработка методики расчета контактных устройств

при обработке воздуха водой на основе числа единиц переноса........86

2.3 .Методика косвенной оценки определяющего линейного

размера капель распыляемой воды (эффективного диаметра) механическими форсунками в потоке воздуха..............................94

2.4. Разработка методики расчета осушителей воздуха

на основе твердых сорбентов....................................................97

2.5. Разработка программного обеспечения для расчета процессов тепловлажностной обработки воздуха........................................104

Выводы по главе........................................................................109

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛООБМЕННИКАХ......................................................111

3.1. Разработка универсального лабораторного стенда

для проведения экспериментальных исследований процессов.........111

3.2. Исследование процессов теплообмена по определению коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи при охлаждении

воздушных потоков различной относительной влажности в оребренном теплообменнике................................................118

3.2.1. Разработка стендовой установки и методики экспериментальных исследований для определения кинетических коэффициентов теплообмена................................118

3.2.2. Теоретические и экспериментальные исследования по определению коэффициента теплоотдачи

от увлажненных воздушных сред к оребренной поверхности..........121

3.2.3. Теоретические и экспериментальные исследования по определению коэффициента теплоотдачи

от внутренней поверхности к воде...........................................128

3.2.4. Теоретические и экспериментальные исследования

по определению коэффициента теплопередачи..................................130

3.3. Результаты экспериментальных исследований

конвективного теплообмена двухфазных воздушных потоков.........135

Выводы по главе.......................................................................140

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭФФЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА ВОДОЙ..........................................142

4.1. Разработка и исследование эффективных распылителей воды

в воздушных потоках..............................................................142

4.2. Разработка и исследование контактных устройств тепловлажностной обработки воздуха

на основе энергосберегающей технологии..................................156

4.3. Разработка и исследование способа глубокого охлаждения

воздуха водой.....................................................................168

4.4. Разработка и исследование эффективного оборудования для оборотного водоснабжения в системах кондиционирования...........173

4.5. Экспериментальные исследования тепловлажностной обработки воздуха

на основе применения электроактивированных жидких сред...........187

4.5.1. Теоретические исследования и оценка эффективности электрохимической активации жидких сред.................................187

4.5.2. Теоретические и экспериментальные исследования влияния электроактивированных жидких сред

на бактерицидные свойства воздуха

в системах кондиционирования.................................................197

Выводы по главе.......................................................................211

Глава 5. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ СОРБЕНТОВ............................................215

5.1. Исследование адсорбционных процессов

для осушения воздуха...........................................................215

5.2. Теоретические исследования процесса тепломассообмена

в осушителе воздуха на твердом сорбенте....................................226

5.3. Разработка и исследование работы кондиционера круглогодичного действия на основе адсорбционного осушения и многоступенчатого косвенно-испарительного

охлаждения воздуха...............................................................246

5.4. Разработка процессов и оборудования

для утилизации теплоты удаляемого воздуха из помещений............256

Выводы по главе.......................................................................267

Глава 6. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ УСТРОЙСТВ

ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА...............269

6.1. Оценка экономической эффективности

разработанных форсунок эжекционного типа.............................269

6.2. Оценка экономической эффективности от внедрения увлажнителя роторного типа в центральную СКВ

Дворца спорта «Буртасы»......................................................274

6.3. Оценка экономического эффекта от внедрения установки для создания бактерицидных воздушных сред

в ОАО «Пензенский тепличный комбинат»...............................275

Выводы по главе.......................................................................277

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ........................................278

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...............283

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................286

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................309

Приложение 1 Конструктивный расчет осушителя кондиционера...........310

Приложение 2 Конструктивный расчет адсорбера-теплообменника узла утилизации теплоты удаляемого воздуха

из помещений на основе твердых сорбентов.................315

Приложение 3 Расчет экономического эффекта от внедрения

форсунок эжекционного типа ФЭТ............................321

Приложение 4 Расчет экономического эффекта от внедрения

электроактивированных сред при выращивании овощей

в ОАО «Пензенский тепличный комбинат»..................323

Приложение 5 Акт о внедрении научно-исследовательской работы.......326

Приложение 6 Акт о внедрении результатов диссертационной работы докторанта Аверкина А.Г. на тему: «Совершенствование устройств тепловлажностной обработки воздуха и методов их расчета в системах кондиционирования»...................327

Приложение 7 Акт о внедрении результатов диссертационной работы докторанта Аверкина А.Г. на тему: «Совершенствование устройств тепловлажностной обработки воздуха и методов

их расчета в системах кондиционирования».................328

Приложение 8 Акт о внедрении результатов диссертационной работы докторанта Аверкина А.Г. на тему: «Совершенствование устройств тепловлажностной обработки воздуха и методов их расчета

в системах кондиционирования»...............................329

Приложение 9 Акт внедрения инновационных проектов, технологий

и методов обучения.................................................330

Приложение 10 Акт внедрения инновационных проектов, технологий

и методов обучения.................................................331

Приложение 11 Отзыв о программном продукте ТВОВ-СК Пензенского государственного университета архитектуры и строительства...................................332

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Выполнение Федеральной программы по модернизации и внедрению инновационных технологий в промышленное производство требует повышения эффективности работы оборудования. Это может быть достигнуто путем совершенствования технологических процессов, разработки современных методик расчета для конструирования технических систем, создания и внедрения современных средств контроля и регулирования необходимых параметров с учетом, в первую очередь, отечественных, а также зарубежных научно-технических разработок на основе ресурсо- и энергосбережения.

Реализация инновационных технологий связана с созданием искусственного микроклимата помещений, т.е. обеспечения и поддержания требуемых технологических параметров воздушной среды в производственном цикле. На это ежегодно затрачивается до 40 % энергоресурсов, получаемых в стране.

Необходимые параметры микроклимата обеспечивают инженерные системы, среди которых важная роль принадлежит центральным системам кондиционирования воздуха (СКВ), они также создают комфортные условия для обслуживающего персонала, т.е. оптимальные параметры внутреннего воздуха.

Современные системы кондиционирования воздуха характеризуются высокой материалоемкостью, повышенной энергоемкостью, большой стоимостью.

Развитие научных основ, направленных на совершенствование тепловлаж-ностных устройств СКВ и снижение потребления количества тепловой и электрической энергии, неразрывно связано с разработкой и совершенствованием методов их расчета. Необходим системный подход при решении этой важной технической проблемы.

Ее решение позволит улучшить технико-экономические показатели при создании современных высокоэффективных устройств в СКВ для обеспечения необходимого микроклимата в помещении, что делает тему научных исследований актуальной.

Степень разработанности темы диссертации при ее выборе представля-

лась недостаточной в связи с необходимостью выполнения современных требований по повышению эффективности и энергосбережению в жилищно-коммунальном комплексе и промышленности.

Разработка эффективного оборудования в системах кондиционирования предусматривает научно-экспериментальные исследования новых способов те-пловлажностной обработки воздуха на стадии увлажнения, охлаждения, утилизации теплоты воздушного потока, создание научно обоснованных современных методов их расчета.

Реализации данного направления посвящены научные исследования настоящей диссертации.

Диссертационная работа выполнена в период с 1997 по 2012 г. на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» при проведении научных исследований по госбюджетной теме «Повышение эффективности работы систем обеспечения микроклимата помещений» в рамках региональной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Пензенской области на 2010 - 2020 гг.».

Цель исследований заключается в развитии научных основ конструктивного исполнения контактных устройств и способов тепловлажностной обработки воздуха в СКВ, методов их расчета.

Для выполнения указанной цели сформулированы следующие задачи исследований:

- разработать и научно обосновать эффективный способ охлаждения воды и воздуха для СКВ на основе многоступенчатого косвенного и прямого охладительного процесса рабочих сред;

- усовершенствовать устройство для эффективного охлаждения воды воздухом, позволяющее получать воду с температурой ниже температуры мокрого термометра воздуха;

- разработать эффективный распылитель жидких сред в воздушном потоке;

- разработать устройства для адиабатического увлажнения и охлаждения воздуха на основе ресурсо- и энергосбережения;

- усовершенствовать методики расчета поверхности тепло-массообмена при тепловлажностной обработке воздуха водой, при применении твердых сорбентов в контактном аппарате на основе числа единиц переноса;

- разработать алгоритм расчета и программный продукт для оценки поверхности тепло-массообмена при тепловлажностной обработке воздуха водой;

- научно обосновать и разработать способ и оборудование для утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха из помещений на основе твердого сорбента, позволяющего полностью утилизировать скрытую теплоту водяных паров воздушной среды;

- разработать математическую модель тепловлажностной обработки воздуха для стадий увлажнения, охлаждения рабочих сред;

- разработать математическую модель для описания конвективного теплообмена при применении воздушных сред различной относительной влажности;

- провести опытно-промышленные испытания разработанных технологий и устройств тепловлажностной обработки воздуха. Выполнить технико-экономическое обоснование целесообразности их применения в СКВ для обеспечения соответствующего микроклимата помещений.

Научную новизну составляют:

- развитие теоретических основ по совершенствованию конструктивного исполнения контактных устройств для увлажнения, охлаждения, осушения воздуха: а) разработка и научное обоснование конструкций контактных устройств роторного типа, работающих по прямоточной схеме или по схеме с рециркуляцией воздуха; б) разработка и научное обоснование конструкции кондиционера круглогодичного действия без применения традиционной холодильной машины и способа его монтажа;

- разработка и научное обоснование конструкции компактной градирни с косвенно-испарительным охлаждением воздуха для получения воды с темпера-

турой ниже температуры мокрого термометра воздуха;

- новый способ утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха из помещений на основе твердого сорбента, который позволяет существенно повысить теплосъем по сравнению с традиционными методами из-за возможности утилизации всей скрытой теплоты водяных паров, содержащихся в удаляемом воздухе;

- новые теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные методики определения числа единиц переноса для различных режимов тепло-влажностной обработки воздуха (адиабатического, политропического) на основе /-¿/-диаграммы влажного воздуха, позволяющие определять необходимую поверхность для реализации как теплообменных, так массообменных процессов в контактных аппаратах;

- метод оценки определяющего линейного размера капель воды (эффективного диаметра), распыляемой в потоке воздуха механическими форсунками.

- разработка алгоритма расчета поверхности тепло-массообмена при обработке воздуха водой в контактном аппарате;

- методика расчета контактных устройств для осушения воздуха на основе твердых сорбентов с применением, разработанной автором, модифицированной /-с/-диаграммы влажного воздуха;

- математические модели для описания конвективного теплообмена воздушных сред различной относительной влажности.

Теоретическая и практическая значимость работы заключаются в развитии и научном обосновании новых способов тепловлажностной обработки воздуха в СКВ на принципах ресурсо- и энергосбережения, апробации научных исследований на объектах региона.

Снижение расхода энергопотребления при круглогодичной эксплуатации работы систем кондиционирования воздуха достигается за счет применения эффективных способов охлаждения воды и воздуха, новых систем утилизации теплоты удаляемого воздуха из зданий и сооружений различного назначения:

офисных, административных, общественных, промышленных, а также внедрения компактного оборудования для тепловлажностной обработки воздуха с пониженным электропотреблением.

Практическую ценность для проектирования, конструирования и эксплуатации систем кондиционирования воздуха имеют разработанные автором методы расчета контактных аппаратов для увлажнения, охлаждения, осушения воздуха на основе числа единиц переноса, инженерная методика расчета температуры мокрого термометра воздуха и пакет программного продукта, позволяющего уменьшить трудоемкость работ на стадии конструктивных и поверочных расчетов устройств тепловлажностной обработки воздуха, повысить качество инженерного проектирования СКВ.

Методики расчетов контактных аппаратов для тепловлажностной обработки воздуха апробированы в проектных организациях, на них получены положительные отзывы.

Разработанные устройства и способы тепловлажностной обработки воздуха внедрены на промышленных объектах региона с получением значительного экономического эф�