автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Совершенствование комбинированной системы тепловлажностной обработки воздуха

РГ6 од

** ^О^Ши-'КшеТМТУТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕХНИКИ И ЭНЕРПЖПСИ

На правах руюписа

Салах Кари.! Дкавад

СОВЕРПЕКСТБОБАНЖ КОМБЗЯЗРОЗАШЮЙ C'íCTE.IbJ ТЕШЮЗЛАЗОСТКОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА

Специальность 05.04.03 - 'Лапина п аппараты

холодильной я криогенной техяпкя п сгстеи кондиционирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесса - IC93

Работа выполнена в Одесском институте низкотемпературной техники и энергетики

Научные руководителя : кандидат технических наук,

профессор ЛарьяновскиЁ С.Ю.; кандидат технических наук, ст.науч.сотр. Ярмолович Ю.Р.

Официальные оппонент: доктор технических наук,

профессор, академик Академии технологической кибернетики Украины Захаров Ю.В.; кандидат технических наук Дорошенко A.B.

Ведущая организация - Инженерно-технологический институт "Биотехника"

Защита состоятся " (Л&Ц { " 1993 г. в J! ча на заседании специализированного Совета К.063.27.01 при Одесское институте низкотемпературной техники и энергетики по адресу: 270100, Украина, Одесса, ул. П.Великого, 1/3 -ученый Совет ОЮТЭ.

С диссертацией ыокяо ознакомиться в научной библиотеке Одесского института низкотемпературной техника и энергетик!

Автореферат разослан "" 111», / 1993 года.

Учений секретарь специализированного Созета Р.К.Нифгльшн

доктор технических наук, профессор

" *я_ 1993 г.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темя. Системы кондиционирования воздуха (СКВ), вклотащие э себя, помимо прочего, аппараты теплсвлакностной обработки воздуха с холодильной малиной или без нее, по энергоемкости превосходят обычные системы дряточно-вытяжной вентиляции. Для езропексккх климатических условий капитальные затраты на СКВ нередко достигают 20 % общей стоимости зданий, а эксплуатационные - до 30-60 % всей стоимости эксплуатации инженерных сооружений здания. Эти затраты возрастают в условиях жаркого климата при значительных теплопоступления:. за счет влияния солнечной радиации и больной продолжительности стояния высоких наружных температур. При этом, в таких районах часто ненадежно снабжение электроэнергией, что делает задачу энергосбережения особенно ванной.

. Вопросам улучшения качества СКВ а и:: элементов посвящено большое количество работ, перечислить которые з рамках автореферата не представляется возможным.

3 условиях Ближнего Востока, Юго-Восточной Азии, Средней Азии предетазляют интерес меры улучшения ячества.СКВ, не трэбусцле больших капитальный л эксплуатационных затрат. Конструктивно простыми а относительно «алоэнергоемкими являются метод тоезеяно-испарительного охлаждения'воздуха л теплсмассообщенные аппараты, реализупдг.о этот метод. Исследованиям таких аппаратов посвящена большгш часть работ С.Я.Кокорина, Е.Е.Карпнса, А.З.Дорошенм и др. Однако метод кесзег.шз-иссарительного охлаждения воздуха, имел ряд преимуществ, монзт использоваться з СКВ только дрл определенной, ограниченном сочетании параметров наружного воздуха и воздуха з помешэнлях. В связи,о чем по-прежнему широко применяются кондиционеры с машгднкм охлаждением, гак более универсальные, хотя и потреблявшие"больше энергии, чем аппараты КОВ.

В езете изложенного, исследования схем охлаждения воздуха, включавших в себя как аппараты безмашлнного охлаждения воздух или воздухоохладители холодильной машины, так и эти аппараты з их рациональном сочетании, является актуальной задачей.

Лельэ габотн является совершенствований систем ко.чдициоклто-закия воздуха на основе рационального сочетания -шпагатов косвенно-испарительного охлаждения, прямого увлажнения и компрессионного ко нд:: пионера.

Заи":: тс-ботк. о сгязл с эт".м, следующие: оценить теплоэнер-

готическую эффективность СКВ с различными аппаратами и схемами охлаждения воздуха при различных параметрах наружного воздуха б иироком диапазоне температур и влагосодеряандй; определять климатические границы использования исследованных схем охлаждения воздуха; выяейть п оценить преимущества комбинированного способа охлаждения по отношению к традиционным; разработать рекомендации до выбору £ расчету СКВ на основе комбинация пспарят&яьног-о ох-дагдения с машинным; оценить околого-эконоыическую эффективность исследованных схем охлавдения.

Научная новизна работы состоят в том, что исследованы различные сочетания аппаратов косвенно-испарительного охлавдения, прямого увлажнения и кондиционера с машннга охлаждением а определены климатические границы рационального использования каздого способа охлаждения.

В диссертации запинается следующее научное сологйпдй:

Система кондиционирования воздуха, являющаяся комбпцацгэ;': косвешю-ислардгельаого охладителя с холодильной маелной» обеспечивает повышение теплоэнергетической эффективности с одновременный расширением темнературно-влаяноепшх границ в область высоких температур и низзшх влагосодаряаиий, сииззнием годового энерголегреблеиия.

Научные результаты.

1. Получены экспери.'витальные данные по тепло- и ыаосоойнену я аэродинамическому сопротивлению в } а налах КОВ.

2. Разработана методика расчета аппаратов косвенно-испарительного .охла адения.

3. Определены климатические зоны рационального использования комбинированной системы (КОМЕ').

4. Проведен эксергетичсский анализ системы КО'.ШИ.

Практическая ценность -работы. Разработан инженерны!: метод расчета адпарагов КОВ д УВ я рекомендации по выбору и расчету СКВ на основе комбинации косвенно-испарительного охлаждения воздуха с малинным охлавданаем.

Апробация -работы. Основные результата диссертационной работы доклада вались:

на П-ой Мегдукародаой научной конференции "Проблемы экологии г. ресурсосбережения дня сельскохозяйственных раГюгрв и агропро-

'мыилсшшх "комплексов**., Одесса, 1992 г.;

.на иегрсспу&иканской научно-практической конференции "Со-верпеяствованпе,.холод!Ш>но2 техника и технологии для эф!октпв-ного хранения а .переработки сельскохозяйственной продукции", Краснодар, 1392 г.

Публккаскк; но -тема диссертаций имеются две публокацаи.

Структура п объем диссертант*. Диссертация состоит из введения., четырех глаз, основных выводов я приложений. Основная часть диссертации содерглт 85 страниц'?.а£лпош!сного текста, 30 рисуя-леев,, То таблиц, 10 страниц прило яй. Список литературы вкл-оча-¿д По наименований, в том числа -15 йпо'страйпихч

содекйзиз РАБОТУ Зо .ньадзяпа обоснована актуальность теми, сформулароваяа цель исследований .я содержание научных еолОйэяий-.

3 пельо:; глпдз рассмотрен процесс тепломасссперекоса при кон-та:^е воды г. гоздуха з ¡аппаратах систол ко'ндицнояпрозаяпя воздуха. На основе общей физической модели процессов., описываемых уравнением ЕЛеркеля, анализируется результаты экспериментальных л теоретических работ по исследованиз аппаратов прямого увлажнения воздуха п косвенно—испаритольпОТб Фл^а^ДенйЯч Рассматриваются 0-50-, двух- и многоступенчатые слЫШ гййзе'нно-испарптелько-го охлаждения. Низкое с-нергзпотреблсш;:?;., КрЪСсота и надежность косвснно-пспарлтельшг: охладителеГ: позвоЛла? ¿читать их" перспективном техническим реп?яием г системах СКЗ, ЗДйлО такие аппараты обеспечивают поддержание комфортных услойКЗ тйлько в определенных клдмитпчэсюх золах, при вполне -оаредбаея'них 'сочетаниях параметров наруглого воздуха»

,, Исслздованпя аппаратов КОБ, выполненная "раг&ййыми авторами, Ев дозволили, однако, прадгогнть и создать £й№кс^<*ектизнуа поверхность тепломассообмена, отвечайзую разнообразным требованиям по теплоотдаче,« технологичности а йзгмэзлбяпи, конструктивной жесткости, гпдрофильностя. ОгедтсТхДО? расчетные зависимости по расчету теплоотдачи я сопрогаалеяйЛ»

Сочетание процесса обработки воздзаа а воздухоохладителе холодильной малины с охла-денпем воздуха В аппарате КОВ ала в прямой углагадтеле, т.е. комбпиироаанйОй Охлаждение, позволяет сократить расход зкзргнп, расширить геипературно-влаздосгный диапазон использования системы хоадкцаонированпя воздуха, пони-

зить вредное экологической воздействие CIS. 3 настоящее время известно несколько вариантов схем комбинированной системи КВ. Перспективной, с точки зрения расширения областей применения я диапазона работы в различных климатических зонах, является схо-i.ia (рис. I), в которой нарукный воздух направляется в аппарат косвепно-аспаригелъного охландения и разделяется па два потока. Охлаждаемый поток после обработки в воздухоохладителе КОВ доох- ■ лаздается в испарителе холодильной машины и направляется в помещение. Вспомогательный поток, охлаждаясь я увлажняясь во влажных каналах аппарата КОВ, подается на конденсатор холодильной машина. Конденсат отводится из поддона воздухоохладителя холодильной машины но влакные каналы аппарата КОВ. В этой схеме полностью используются оба потока - основной и вспомогательный, возможна автономная работа аппарата КОЗ и компрессионного кондиционера в случае необходимости.

Во этолог главе описаны методика экспериментального исследования п обработки опытных данных.

В процессе экспериментов последовательно исследовались: косвенно-испарительный воздухоохладитель (КОВ), прямей увлалкитоль воздуха СУВ), компрессионный кондиционер ОШ), комбинация кос-г^шо-пепарительного воздухоохладителя с компрессионный кондиционером (КОМБИ). Основное внимание в эксперименте уделялось г.з?- . ченя» системы КОМБИ. Исследования проводили на ушшерса&аом экспериментальном стенде, вкгачаздзн три контура: вэздудныо основного и вспомогательного потоков и водяной (рие. 2).

Параметры воздуха на входа s исследуемыо аппараты язменялг. в пределах: температура от 30 до 45 °С, влогос одеркаапо - о* II Ю-^ до ТА I0~J кг/кг. Состисизадз расходов вспсаогатильного и основного потоков воздуха измаялось от 0,5 до 2,0.

Расчет коэффициентов переноса проводился на ссноез мезода энталышГшого потенциала. Составив систему уравнений, включавшую уравнения переноса тепла и тсси, уравнения теплового баланса и проинтегрировав ее, после подстановки получаем уравнение рабочей линии процесса

дЬв _ GoСр

AVio О О

Pas. I. Схема комбинированной системы телловланяостяой обработка воздуха.

I - косвенно-испарительный охладитель; 2 - воздушный поток из окрунаэдэй среды; 3 - поддон; 4 - водяной конденсат; 5 - охлаждаемый-поток (основной поток); б - испаритель компрессионного кондиционера;. 7 - конденсатор компрессионного кондиционера; 8 - вспомогательный поток.

Рпс. 2. Схема экспериментального стенда: I - вентилятор; 2 - воздухонагреватель; 3,4,5 - расходомера; 6,7 - шибера; 0 - парогенератор; 3,10,11 - водонагреватель; 12,13 - водяные бака; 14,15 - линия слива вода; 16,17 - блоки ротрметров; 19,20,23 - входные дн^узори; 18,22;21'г ваходнкЗ диффузоры; 24 - линия водяного конденсата; 25, 26 - насосы.

I

оэ

I

— 9л уравнения кояиода

Ь (А«) - На _ оСо

ио

я-линии,, связывающей состояние поверхности раздела и изменение состояния"вспомогательного потока

- Ив д .. с1Кв

1Гж~1>о иЕо

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований.

Опытные данные по аэродинамике и тепломассообмену списаны зависимостями:

- для коэффициента аэродинамического сопротивления основного канала

а

Qi • R¿ со

- для коэффициента аэродинамического сопротивления во вспомогательных каналах

f« А Р5 ^ ■—>

L.2-i\G3 1 Квас

- для теплообмена а основных каналах

»д.и"{Гг,- Re« • • R«« (6)

- для масесобмека в орошаемых вспомогательных каналах

Sh 53 С/, • Ren ■ Reír. (V)

В'.таблццгх 1-4 приведены значения коэффициентов и показателей: степени в уравнениях (4). - (7). Как видно из таблиц, эти значения будут различны з ламинарной и турбулентной областях. На интенсивность процессов теплообмена в основном канале ога-

>

Таблица I

Значения параметров зависимости ( 4)

Ci ■ - г------- ! П Диапазон изменения Reo

2,8 - 0,26 500 - 2300

0,4 0 2300 - 5000.

Таблица 2

Значения параметров зависимости ( 5 ) ' Т~ Т ~ ~ Т "Цйала'зон

Ca I а I\ Ь ! Reв

5,26 - 0,23 0 500 - 2400 10 - 100

0,98 - 0,02 0,035 2400 - 3000 10 - 100

диапазон

Re ж

Таблица 3

Значения параметров зависимости (6)

CjIO

к i J i -

m

Диапазон j Диапазон

Re0 i Re в

Диапазон Rc^

0,8? 0,82 0,51 0,13 500-4000 800-2400 10 - 70

Таблица 4 Значения параметров зависимости (7)

I a i Диапазон

Р d .! Re*

Cz-IO2

Диапазон Re ж

2,5

0,5 0,25 800 - 2400

10 - 100

з.теавг "лплаяз три потока: основной, вспомогательный л кпдкост-ны2.

Теилообмснная поверхность исследованного аппарата КОВ, выполненная яз вертикально гофрированных элементов насадки с регулярной шероховатостью, позволяет рационально интенсифицировать гак теплоотдачу в основном канале, так я массаотдачу - во вспомогательном.

Сопоставление исследованных способов охлаздения воздуха по зелячане эксергетического к.п.д. в различных температурно-влан-ностных условиях наружного воздуха показывает, что система Ш.1ЕИ в термодинамическом отношении более совершенна, чем кондиционер с холодильной машиной. Для аппаратов КОВ и УВ в области низких влагосодеряаняй наружного воздуха значения эксергетического к.п.д. больше, чем у кондиционера с холодильной машиной (вариант Ш) я системы КОМБИ. Однако с ростом злагосодертаняя величина Т\ для вариантов КОЗ а УВ резко падает, а пря влагесодержания воздуха выше 7-Ю"3 кг/кг становится менылз соответствуют значений длл заог.анта Ж.!. Эксетзгзтлческий к.п.д. П. системы КШБИ снижается пря возрастания влагосодерглния до 8-10 10-Ю-0 кг/кг, поело чего г^ стабилизируется (рис. 3). Величина Г^ дтя кондиционера о холодильной машиной незначительно возрастает с увеличением влагосодер^аняя, оставаясь няне, чем эксергетяческяй к.п.д. системы К01Л51. Система КОМБИ, составленная из косвенгю-испарительаого воздухоохладителя я воздухоохладителя с хол-^диль-.юй машиной, в термодинамическом отнесения превосходит своя составные частя. Кроме того, при компоновке указанных элементов в систему КОЫЕИ, возникают полонятолыше экологические эффектк.

В чптгт.тт-о" г.-пяп дали рекомендацет по выбору, расчету я конструировании ясслог,спайных аппаратоз я их комбинаций, проведено псслздовапзз экологической эффективности описанных устройств охлаж-Д-заяя воздуха. Определен« наружлые темпсратурно-влажлостнио границы рационального применения аппаратов (КОВ, УВ, XI,!, К0',!ЕИ). Результаты такого сопоставления показаны в координатах "1»_с1 (рис. 4).

Каяболее простой з констпуктпвном отпопенил увлажнитель мохет бь:ть рекомендован для районов с влатосодерганпем наружного ;юз-духа 4-Ю-3 кг/кг. Аппарат КОВ охлаждает основяо:: поток при неизменном Благооодергаалл, поэтому его попользование ограничено влагосодерганяем наружного воздуха от 4-10~3: до 12-Ю"3 я/кг.

Д2

.............., у . , . . < , f _ . . ■ f

/О 20 зо

d, кухг-Ю

Ряс. 3. Значен»? тэтеевого к.п.д. лс.следованнш: ва-

риантов лрй раздадах магосолертапиях паруяаого • воздуха,

'- 'КОВ

---КОШ

---ХМ

X = 35 °С.

О'С.

50 40 50 20 Ю

(С 20 30

¿.хг/кг-Ю

Рис. 4. Климатические границы применения исследованных схем охлаждения воздуха.

КОВ

X!,!

КОУШ

Комфортная зона.

Ш

ш

Верхняя температурная граница зависит от эффективности работы аппарата КОВ, в нашем исследовании равной 0,7. Система КОМБИ имеет такие же ограничения по влагосодержанин, как и кондиционер с холодильной машиной, но позволяет больше охладить воздух.

Был проведен анализ компоновочных схем комбинированной системы.

Оценка экологических показателей предлагаемой системы, сочо- . таюцей в себе косвенно-испарительное и машинное охлаждение, выполняется в сравнении с традиционной системой машинного охлаждения. Система КОВ обладает весьма существенными экологическими преимуществами ввиду отсутствия, непосредственных утечек фреона и сбрособ теплоты. Комбинированный режим также отличается экологическими преимуществами: снижается энергопотребление, а значит, л эмиссия в атмосферу с дымовыми газами озоноопасной закиси азота, а также других токсичных соединений. Для количественной оценки этих преимуществ использовались специальные критерии, а1фоб;:рованнке применительно к системам кондиционирования воздуха. Полученные данные об экологических показателях позволяют сделать вывод о безусловной экологичности предлагаемой разработка .

Технико-экономическое сопоставление предлагаемой разработки проведено по следующим показателям: холодолроизводительности, энергопотреблению, габаритам, массе к относительной хслсдоцро- ' излодительнос-'и (отнесенной к энергозатратам, массе и объему оборудования).

Несмотря на довольно высокое энергопотребление, аппарат КОМБИ по показателю О,/^ уступает лишь косвенно-испарн-тельныы охладителям. Холодопролзводителъность на единицу массы у К0:л=И выше, чем у компрессионных кондиционеров, пря использовании подпитки из водопроводной сети. При автономном режиме работы этот показатель снижается до урозня кондиционеров ЕК 2000 и БХ 2500. Косвенно-испарительный аппарат, разработанный з о;:чтэ, отличается самлм зысоким значением £) /пт. при подключении к сети, запас же воды делает этот показатель сопоставимом с остальными решениями. Разработка :ПИ "Биотехника" уступает геем рассмотренным решениям по показателям (З/т е Р/и • Система К01.Е." отличается довольно высокими значениями О./']) , уступая но иг-ому показателю только шпагату 0Г2ГГЭ.

В целом можно заключить. Что разработанная и исследованная

с г. с тема ШЛИ отличается высокими удельными характеристиками, практически не имеет климатических ограничений по применению, позволяет значительно экономить электроэнергию, является менее экологически вредной, чем традиционные компрессионные кгндгтюнеры.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Система КОМБИ обеспечивает распирение диапазона кондиционирования в сторону высоких температур и низких влатосодертаний.

2. Система КОМБИ по эксергетической эффективности превосходит КОВ и ХМ при <±> 7-Ю-3 кг/кг.

3. Использование вспомогательного потока и водяного конденсата позволяет сократить объем системы КОМБИ.

4. Холодопроизводительность системы КОМБИ превосходит суммарную холодопроизводительность своих основных частей, КОЕ и ХИ.

5. В условиях климата Ирака основной вклад ( 60 - 75 % ) в увеличение холодопроизводительности, снижение энергопотребления и повызенне теплоэнергетической эффективности работы системы КОМБИ вносит использование вспомогательного потока.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОШШЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Салах Карим, С.Ю.ЛарьяновскиЙ. Экологические аспекты кондиционирования воздуха в условиях Ели-него Востока- - Тез. докл. на П-й Мездуяар. конф. " Проблемы экология и ресурсосбе-регеняя для сельскохозяйственных районов а агропромышленных комплексов". - Одесса, 1992.

2. С.Ю.ЛарьяновскиЙ, Салах Карим. Сокращение энергозатрат при эксплуатации холодильников в климатических зонах с сухим

и глрким климатом. - Тез. докл. Иегреспублаканской научно-практической конф. " Совершенствование холодильной техники и технологии для эффективного хранения и переработки сельскохозяйственной продукция". - Краснодар, 1992 г.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Ь - энтальпия; С - расход потока; Ср - теплоемкость; с1 - влагосодергляие; - температура; р - коэффициент массоотдачи; сС - коэффициент теплоотдачи; - коэффгца-енг аэродинамического сопротивления; Ре - число Рейдольдса; N11 - число Куссельта; - эксергетический к.п.д.: 0_-холодопрокзводительность; Н - потребляемая мощность; гл -масса; - объем.

Индексы

о - основной; в - вспомогательный; ™ - шдкость,

г.Одесса.ротаприкт ШНТЭ.Подписано к печам 27.05.93 Сбьеи 1,0 п.д. 1ии. Заказ 862-93