автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Тепломассообмен в аппаратах с пористой насадкой систем кондиционирования воздуха

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

" ; На праеах рукописи

АНИСИМОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ТЕПЛОМАССООБМЕН В АППАРАТАХ С ПОРИСТОЙ НАСАДКОЙ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Специальность 05.23.03 - Теплогазоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1993

РаботаЕыполненав Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете

Научные консультанты: доктор технических наук,

профессор В.И. Полушкин; кандидат технических наук, профессор Г.Н. Северннец.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ✓ М.И. Гримитлин

доктор технических наук, профессор Г.М. ПОЗИН

доктор физико-математических наук, профессор Б.Г. Вагер

Ведущая организация- АООТ «Проектный институт N91»,

Санкт-Петербург

Защита состоится 15 декабря 1998 г. в 13— на заседании Диссертационного Совета Д.063.31.01 в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: Санкт-Петербург, 198005, 2-я Красноармейская ул., д.4, зал заседаний. Автореферат разослан «/3» ноября 1998 г.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотек« университета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, ¿я^гг**-?' /

профессор х.^Х/ гу У В.И. Полушкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для промышлёино развитых стран характерно широкое осуществление во всех отраслях промышленности и сфере быта целенаправленной энергосберегающей политики, основанной на широком использовании нетрадиционных возобновляемых*видов энергии и обусловленной увеличением энергопотребления и необходимостью иод-держания экологической чистоты окружающей среды.

В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха (СКВ) как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50% всех затрат на эксплуатацию СКВ.

Настоящая работа посвящена исследованиям пластинчатых тепломассообменных аппаратов с пористой насадкой, позволяющих повысить эффективность реализации целого ряда процессов тепловлажностной обработки воздуха в СКВ: утилизации теплоты и холода воздуха, удаляемого из помещений; эффективного осуществления энергоемкого процесса осушки воздуха; обработки воздуха, методом прямого, косвенного и регенеративного испарительного охлаждения.

Перспективность применения данных аппаратов обусловлена возможностями снижения энергопотребления за счет комбинирования раз-гмчных схем движения обменивающихся потоков, рационального использования теплоты фазового перехода и возобновляемого энергоресурса термодинамической неравновескости атмосферного воздуха . Однако реализация потенциально заложенной эффективности процессов тепломассопереноса и оптимальных режимов данных аппаратов требует детальных теоретических и экспериментальных исследований. В этом контексте разработка надежных математических моделей и .методов оптимизации процессов тепломассопереноса в пластинчатых теплообменпых аппаратах с пористой насадкой является актуальной задачей развития вентиляционной техники.

Решение данной проблемы невозможно-без рассмотрения ряда недостаточно изученных вопросов, связанных с неоднозначным теоретическим подходом к оценке движущих сил тепломассопереноса в каналах пористых насадоктеплообменных аппаратов СКВ; отсутствием необходимых количественных характеристик гигродинамического взаимодействия влажного воздуха с материалом гигроскопических насадок и надежных методов их определения; установлением зон активного тепломассообмена, в пределах

которых осуществляется формирование качественно отличных профилей потенциалов тепло- и масеопереНоса; выявлением условий эффективной реализации тепломассопереноса в рассматриваемых насадках при фазовых переходах; отсутствием надежных методик оптимизации тепломассопере-' носа в теплообменных аппаратах СКВ, основанных на формализации муль-тикритериальных компромиссных задач.

Решение этих вопросов позволяет осуществить научно-обоснованную качественную и количественную оценку эффективности работы тетоосменных аппаратов с пористой насадкой €КВ и их соответствия прогнозируемым целям еще на стадии разработки проектной и технической документса/ии '

Работа выполнялась на кафедре «Теплогазоснабжение и охрана воздушного • бассейна» СПбГАСУ в рамках Межведомственной научно-технической целевой программы «Архитектура и строительство»; по направлению 3.03. «Развитие теоретических основ повышения энергосбережения, надежности и эффективности систем выработки, транспортировки и потребления теплоты» раздела «Проблемы создания, развития и эксплуатации систем жизнеобеспечения городов и других' населенных пунктов» конкурса грантов Российской Федерации; по федеральной научно-технической программе «Усовершенствовать существующие и внедрить новые технологии производства, хранения и переработки грубых и сочных кормов ...».

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание научных основ разработки и исследования эффективных тетомассообмен-ных аппаратов с пористой насадкой СКВ с использованием численных методов, основанных на адекватных физико-математических моделях явлений и экспериментально полученных эмпирических связях.

Для достижения поставленной цели решался комплекс взаимосвязанных задач, основными из которых являются:

•выявление закономерностей развития процессов тепломассопереноса . в аппаратах СКВ в условиях фазовых переходов;-

•установление определяющих факторов, влияющих на эффективность процессов тепломассообмена в каналах насадки; *

•разработка физикр-математаческих моделей процессов тепломассопереноса в теплообменниках СКВ, учитывающих их направленность и неравновесность при фазовых превращениях;

■ «разработка методики режимной оптимизации процессов тепломассопереноса в аппаратах СКВ; '

•разработка новых теплообменных устройств с пористой, насадкой СКВ, позволяющих эффективно осуществить утилизацию теплоты вытяжного воздуха, адсорбционное осушение воздуха; обработку воздуха методом прямого, косвенного и регенеративного испарительного охлаждения;

•разработка и реализация инженерных методов' расчета режимов работы теплообменных аппаратов, их экспериментальной и алгоритмической поддержки, ориентированной на использование современных ЭВМ.

Общая методика исследования, базирующаяся на достижениях современной науки в области тепломассообмена, включала: физико-математическое моделирование на основе теории потенциала влажности, проведение численных и физических экспериментов с использованием методов математического планирования и статистического анализа, оптимизационные расчеты эффективности процессов тепломассообмена на основе метода стохастической квалиметрии; сопоставление полученных результатов с характеристиками известных аналогов. Экспериментальная проверка выполнялась на специальных стендах с применением стандартных измерительных приборов. Для расчетов использовалась ЭВМ 1ВМРС.

Научная новизна работы заключается.в следующих результатах исследований теплообменников с пористой насадкой:

•разработаны физико-математические модели процессов тепломассо-переносав условиях фазоЕых переходов (нспарения, конденсации, сорбции);

•разработана и обоснована методика оптимизации процессов тепло-массопереноса в теплообменниках СКВ, основанная на формализации мультикрпгериальной компро.миссной задачи методом стохастической квалиметрии;

• получены экспериментальные и теоретические зависимости, характеризующие влияние режимных и конструктивных факторов на эффективность процессов тепломассопереноса в аппаратах СКВ, осуществляющих утилизацию теплоты и холода воздуха, удаляемого из помещений; адсорбционное осушение воздуха; обработку воздуха методом прямого, косвенного и регенеративного испарительного охлаждения;

•теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что в каналах насадки регенеративных' осушителей воздуха реализуется режим «комбинированной волны»;

•установлены характерные зоны активного тепломассообмена е каналах насадки теплоутнлизаторов и аппаратов косвенно-испарительного типа, анализ закономерностей которых позволяет судить о возможности нарушения условий выполнения соотношения Льюиса;

•разработан метод определения коэффициента мас.сообмена между влажным воздухом и гигроскопическим материалом, основанный на аппроксимации экспериментальных данных естественным сглаживающим сплайном;

• установлены зависимости ряда термодинамических консТант (изотермической массоемкосги материала насадки и коэффициента массообме-на; термоградиентного и температурного коэффициентов химических потенциалов влажного воздуха; дифференциальной теплоты адсорбции и

др.), на основаннн которых получены аналитические и численные решения уравнения динамики адсорбции, позволяющие прогнозировать характер взаимодействия влажного воздуха с материалом пористой насадки и выявить оптимальный состав ее гигроскопической пропитки;

• найдены параметры и условия оптимальной реализации процессов тепломассопереноса в теплообменных аппаратах с пористой насадкой СКВ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением современных методов исследований, основанных на адекватных физико-математических моделях, с привлечением соответствующих разделов теории тепломассообмена и математики (теории уравнений математической физики, теории приближения и численного анализа, основ многомерной оптимизации), апробированных методов обработки экспериментальных данных, а также путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Все предположения и упрощения специально оговариваются в работе и обосновываются.

Практическое значение н реализация результатов работы. Совокупность проводимых автором в течение ряда лет экспериментальных и теоретических исследований теплообменных аппаратов с пористой насадкой связаны с созданием энергосберегающих устройств для систем кондиционирования воздуха Разработанные методики расчета и оптимизации процессов тепломассообмена, включающие алгоритмы и созданные библиотеки программ для ЭВМ, позволяют осуществить научно-обоснованную оценку эффективности работы теплообменных аппаратов с пористой насадкой СКВ и установить области их рационального применения еще на стадии проектно конструкторской разработки опытных и промышленных образцов.

Внедрение результатов работы (теплообменные аппараты по авторским свидетельствам № 964426, 1458654, 1725029, 1758347, 1765628, метод определения коэффициента массообмена между влажным воздухом и гигроскопическим материалом, инженерные методики расчета и оптимизации процессов тепломассопереноса в пластинчатых теплообменниках с пористой насадкой, алгоритмическое н программное обеспечение) на'разных этапах ее выполнения осуществлено в ОАО «Оренбургэнерго» РАО «ЕЭС России», на государственном предприятии «Тепличный» (г. Пенза), в ПО «Ленбуммаш», в ПО «Вологодский оптико-механический завод», СЗНПО «Белогорка» (Ленинградская обл.), в ОКПТБ (г. Пушкин), НИПТИМЭСХ НЗ РФ (г. Пушкин), АОЗТ «Фартекспроект» (Санкт-Петербург) и ряде других организаций, что подтверждено соответствующими документами (справки, акты), которые приведены в приложениях к диссертации. ,

Результаты исследований использованы при написании двух кандидатских диссертаций, по одной из которых автор был официальным научным консультантом. .

Материалы диссертационной работы использованы кафедрой тепло-газоснабжения и охраны" воздушного бассейна в курсах лекций, лабораторных циклах, курсовом и дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 290700 «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна»

На защиту выносятся:

• комплекс физико-математических моделей процессов тепломассопе-реносав аппаратах с пористой насадкой СКВ, протекающих в условиях фазовых превращений (испарения, конденсации, сорбции);

•метод определения коэффициента массообмена между влажным воздухом и гигроскопическим материалом;

•аналитические зависимости для дифференциальной теплоты адсорбции, изотермической массоемкости, термоградиентного и температурного коэффициентов химических потенци&иов влажного воздуха;

• аналитические и численные решения уравнений динамики адсорбции при взаимодействии влажного воздуха с материалом насадки;

•экспериментальные и теоретические зависимости, характеризующие влияние режимных и конструктивных факторов на эффективность процессов тепломассопереноса в гигроскопических насадках теплообменных устройств СКВ; ■

• методика оптимизации процессов тепломассопереноса в аппаратах СКВ, основанная на методе стохастической квалиметрии;

•защищенный авторскими свидетельствами модифицированный ряд конструкций теплообменников СКВ, позволяющих эффективно реализовать утилизацию теплоты вытяжного воздуха, осушение воздуха; обработку воздуха методом косвенного и регенеративного испарительного охлаждения;

•инженерные методы расчета режимов работы теплообменных аппаратах с пористой насадкой СКВ, ориентированные на использование современных ЭВМ. ' „ .

Личный вклад соискателя. Обоснование п постановка проблемы, формирование научной идеи и'конкретизация задач исследований, а также методологического подхода к их реализации, участие в разработке и создании базы-экспериментальных исследований, теоретические и экспериментальные обоснования, анализ н формулировка результирующих научных положений осуществлены лично автором.

По отдельным вопросам оптимизации научным консультантом работы являлся к.т.н., доц. Болотин С.А., которому автор выражает глубокую признательность. Конкретные задачи экспериментальных исследований решались при участии аспирантов Ермошкина A.A., Алешечкиной Т.В., которые успешно защитили кандидатские диссертации.

Апробация работы. Техническая апробация результатов научных исследований осуществлялась в процессе их использования при проектировании, разработке и усовершенствовании ряда теплообменных аппаратов СКВ.

Материалы работы представлялись и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях СПбГАСУ (ЛИСИ). -1979+1998 гг.; региональной конференции "Гармонизация целостности и комфортности " . городской среды", Ташкент, 1982; зональном семинаре "Реконструкция вентиляции, аспирации и пневмотранспорта промышленных цехов с целью повышения эффективности охраны окружающей среды", Пенза, 1989; XXVIII научно -технической конференции Пензенского ГАСИ, 1995; ежегодных международных научно-технических конференция молодых ученых, С.-Петербург, 1996+1998 гг.; на VII. международной конференции «Indoor Air Quality and Climate: Indoor Air '96», Nagoya (Japan), July 21-26, 1996; между нар одной юбилейной научно-технической конференции, "Достижения в теории и практике тепло газоснабжения^ вентиляции, кондиционирования воздуха и охраны воздушного бассейна", С.-Петербург, 1997; V международной конференции «Healthy Buildings Global Issues and Regional Solutions: Healthy Buildings/IAQ '91», Washington DC (USA), September 27- October 2, 1997; VI съезде Ассоциации инженеров по Отоплению, Вентиляции, Кондиционированию воздуха и строительной теплофизике (АВОК), С.-Петербург, 1998; ежегодных научных чтениях МАНЭБ «Белые ночи», С.-Петербург, 1998; международной конференции «Проблемы рационального потребления воздуха «Воздух' 98», С.-Петербург, 1998.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы: 41 печатная работа, в том числе 5 авторских свидетельств.

Объем и структура работы. Диссертация включает введение, шесть глав основного текста с изложением полученных результатов, заключение, список литературы из 415 наименований и 12 приложений в общем объеме 385 страниц, включая 112 рисунков, 39 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Широкое применение существующих типов холодильных машин в установках кондиционирования воздуха, использующих традиционные виды энергии, связано со значительными энергетическими затратами и представляет определенную экологическую опасность как дополнительный источник теплового и. химического загрязнений окружающей среды. В этой связи актуальной является задача частичной замены холодильных машин и снижения их энергоемкости за счет использования в качестве возобновляемого энергоресурса термодинамической неравновесности атмосферного воздуха. -

К системам, использующим эту энергию для производства холода, относятся установки прямого и косвенно-испарительного охлаждения воздуха (КИО). Низкая стоимость и малое энергопотребление, простота в обслужи-

ванип и надежность являются основными достоинствами установок испарительного охлаждения воздуха. Поэтому в последнее'время большое внимание уделяют разработкам низкоэнергопотребляющих устройств испарительного охлаждения СКВ и установлению для них условий эффективной реализации процессов тепломассопереноса

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований различных авторов позволил выявить противоречивость оценок работы аппаратов КИО, что связано с недостаточной изученностью и сложностью физических процессов, протекающих в каналах насадки, при которых потенциалы обменивающихся сред изменяются в широких пределах.

Известно, что каждому типу теплообменника присущи свои достоинства и недостатки, поэтом}7 исследовались не только разрабатываемые воздухоохладители, но н теплообменники, реализующих «классические» схемы движения потоков (рис. 1, 2). В результате удалось установить объективные качественные и количественные оценки эффективности работы новых КИО и их соответствие прогнозируемым целевым назначениям.

Рис. 2. Перекрестно-точная схема КИО (патент яи №2037104)

Исследования, проведенные в рамках- этой работы, позволили получить исходные материалы для разработки теплообменных устройств (рис. 3, 4), теплотехническая эффективность которых обеспечивалась за счет обоснованного комбинирования различных схем движения обменивающихся потоков, реализующих принцип многоступенчатого охлаждения в едином аппарате; использования пористых материалов, обеспечивающих равно-

а)

ij. d„

i» 'li.bii.'d,.

1 « >

........Р

iiir, diK | ^ Ii ^ А Ы, си«- 1

tte~ Чв

d,e-dj0

- ¿3 й * ¿1»

Рис. 3. Изменение термодинамических параметров обменивающихся потоков воздуха и пленки жидкости по глубине насадки: l

а, б, е - КИО с последовательным прямсточно-противоточным движение вспомогательного потока воздуха (A.c. № 1725029), г, д, et - КИО со смещенной перегородкой (A.c. № 1758347),

- основной поток, •«■фв* - вспомогательный против оточнът поток,

- пленка воды в канапе для прохода, прямоточного вспомогательного потока;

~ пленка воды б канале для прохода протйв от очного Бспаыогя&льного потока; - в спомог ательный прямоточный поток; .

мерное смачивание 1еплоооменных поверхностен при минимальном расходе воды; частичного увлажнения стенок, каналов насадки и рационального использования термодинамической неравновесности окружающего воздуха.'

Рис 4. Схема модифицированного перекрестно-точного КИО и лучи процессов изменения термодинамических параметров воздушного потока по глубине насадки

Считается, что наиболее сложной и энергоемкой частью систем технологического кондиционирования воздуха являются блоки осушения, в качестве которых во многих случаях успешно используются адсорбционные установки.

В настоящее время известны и широко применяются регенеративные осушители воздуха (рис. 5).

Высокая эффективность этих установок связана с использованием специальный гигроскопических насадок, а также выбором оптимальных конструктивных и режимных параметров их работы. К сожалению, отечественная промышленность практически не выпускает адсорбционные осушители для СКВ. Серьезными причинами, препятствующими широкому внедрению в отечественную промышленную практику этих установок, являются наличие у зарубежных фирм приоритета на современную технологию получения сорбирующих поверхностен, неоднозначный теоретический подход к оценке движущих сил тепломассопереносав сорбирующих насадках осушителей, Н, как следствие, отсутствие научно обоснованных данных по расчету интенсивности процессов тепломассопёреноса и режимов эффективной регенерации гигроскопической насадки. Данное обстоятельство, наряду с крайне ограниченным объемом имеющихся в литературе научно обоснованных, иногда противоречивых, рекомендаций по выбору режимов

работы установок, предопределило необходимость проведения комплексных исследований процессов тепломассообмена между влажным воздухом и сорбирующей насадкой.

воздухонагреватель

вентилятор

воздуха' на регенерацию

Рис. 5. Схема воздухоосушительной установки с вращающимся ротором

Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из действенных методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирований воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения.

Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок СКВ указывают •на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров, решающим моментом при выборе которых является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха. Обеспечение этих режимов, как правило, связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха.

Одним из возможных решений этой проблемы является создание гигроскопических насадок теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах наружного воздуха. Рациональное использование теплоты конденсации в рекуператорах с пористой насадкой позволяет-существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин не происходит. Кроме того, в этих теплообменниках практически можно исключить режим «захлебывания».

' В настоящее время накоплена значительная информация о процессах тепломассообмена в аппаратах систем кондиционирования воздуха, и связанных с ними исследований энергосберегающих технологий тепловлажносгной обработки воздуха. Неоценимый вклад в развитие этого научно-технического направления внесли отечественные ученые: В.П. Алексеев, E.H. Андреев, А.Г. Аничхин, Б.В. Баркалов, Л.Д. Берман, В.Н. Богословский Л!Д. Богуславский, В.И. Бодров, Б.И. Бялый, A.A. Гоголнн, М.И. Гримитлин, А.В: Дорошенко, jf.M. Зусманович, О.И. Иванов, Е.Е, Карпис, Л.С. Клячко, В.Д. Кор-кин, О.Я. Кокорин, А.Я. Креслинь,.А.В. Лыков, B.C. Майсоценко, A.B. Не-стеренко, Л.В. Петров, М.Я. Поз, Г.М. Позин, М.Б. Раяк, A.A. Рымкевич, Е.В. Стефанов, Ю.А. Табунщиков, В.П. Титов, С.А. Чистович, Б.Н. Юрма-нов и др.

В то же время, ряд вопросов, связанных разработкой физико-математических моделей и методов оптимизации процессов тепломассопе-реносав пластинчатых аппаратах СКВ с пористой насадкой оказались недостаточно изученными/ '

v Решение этих вопросов позволяет осуществить научно-обоснованную оценку эффективности работы новых теплообменных устройств с гигроскопической насадкой и их соответствия прогнозируемым целям еще на стадии разработки проектной и технической документации.

В качестве основного метода исследования выбран численный анализ. Он обладает наименьшей трудоемкостью и позволяет определить характеристики и еыявить закономерности процесса на основании обработки информации о влиянии исходных параметров. Поэтому экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в рассматриваемых аппаратах проводи-, шсь в значительно меньшем объеме и в основном. - для проверки и корректировки аппроксшлационных зависимостей, полученных е результате численного эксперимента.

При построении физико-математических моделей процессов тепломассопереноса в аппаратах установок кондиционирования воздуха используют различные подходы. Наиболее строго зги процессы описываются с помощью дифференциальных уравнений, отражающих физический смысл цэадиеитных законов переноса теплоты и массы.

Во многих инженерных задачах, вюночая и рассматриваемые, представляет интерес не распределение термодинамических параметров по поперечным сечениям обменивающихся потоков, а их средние интегральные значения. Поэтому при физнко-магематическом описании тепломассопереноса в исследуемых теплообменниках отдано предпочтение а-модели. В этом случае поток воздуха, в первом приближении, рассматривается как течение жидкости с постоянными по ее сечению скоростью, температурой и потенциалом массопере-носа, равными среднемассовым значениям. i

Особенности физнко-математичсс.кого моделирования тепломассообмена к теплоутнлизаторах н косвенно-испарительных о хл адит ел я х в о з д\<х а С 1СВ.

. 1 / ашы I/ 8-И«

г,

ч Р^

1 ч

а -

А. Ря.

А.

Й

Он

Д«» РиГЪ

Н МИй ! «ОН о

-»>■

Реализация большинства существующих методов расчета КИО на основе а-моделей ориентирована на использование соотношения Льюиса, устанавливающего взаимосвязь между коэффициентами тепло- и массообмена р = а/ср. При эюм, важно выявить закономерности изменения температуры влажной стенки каналов по глубине насадки, средние значения которой определяются из балансовых уравнений, характеризующих условие непрерывности потока энерг ии на границе раздела фаз.

Однако, как показали исследования современных КИО, основное допущение данных методик о постоянстве температуры пленки на поверхности насадки практически не выполняется (рис. 4, б).

Увеличение количества каналов, комбинирование различных схем движения обменивающихся потоков, частичное увлажнение стенок каналов, как правило, сопровождаются изменениями граничных условий совместного протекания процессов тепло- и массообмена на поверхности насадки. Подобного рода различия граничных условий приводят к образованию качественно отличных зон активного тепломассообмена, в пределах которых наблюдаются деформации продольных профилей перепадов потенциалов переноса (рис. 3, 6), которые необходимо учитывать введением соответствующих функциональных зависимостей коэффициента теплоотдачи и критерия Хе = сс/(р с^), адекватных изменяющимся граничным условиям на поверхности насадки.

Проведенный анализ процессов тепломассообмена в насадках косвенно-испарительных воздухоохладителей позволил установить режимы, при

о

1

Рис. 6. Изменение параметров потоков воздуха и пленки жидкости в противоточном КИО

которых наблюдается невыполнение подобия условий однозначности, положенных в основу вывода соотношения Льюиса. Представленные на рис. 6 продольные профили термодинамических параметров обменивающихся сред в противоточном КИО дают возможность судить о характере изменения геометрических границ потоков теплоты и массы, а также подобия напоров температур и парциальных давлений водяных паров по поверхности насадки, что приводит к действительном}7 нарушению соотношения Льюиса. Данное обстоятельство необходимо у читывать при построении физико-математических ' моделей в аппаратах с пористой насадкой СКВ.

Разрабатываемая модель рассматривается для наиболее общего случая взаимного движения обменивающихся сред в пластинчатом теплообменнике косвенно-испарительного типа (рис. 7):

• количество каналов п - произвольное;

• вектор скорости потока воздуха может изменяться по глубине насадки;

• смачиваемость поверхности-пластин - величина переменная (а - 0...1), зависящая от конструктивных особенностей КИО;

•" расход воды соответствует полному испарению влаги и поддержанию материала пластин в гигроскопически насыщенном состоянии; <

• испарение жидкости с поверхности компенсируется увлажнением'пористой стенки;

• темпер атура пленки жидкости, коэффициент теплоотдачи а и критерий Льюиса Ье - величины переменные, зависящие от режимов работы КИО.

Математическая модель теиломассопереноса в многоканальном пластинчатом1 КИО ошсывается-дифферешщальными уравнешшми теплового и материального балансов, составляемых для взаимодействующих потоков- ' воздуха и шшй*жидкостй!

. ■ • ■ Л Л- ох V . Л- д¥

= (й): о/Ёе)- - (Б-о- о/Ье)-^ (л^ - , (1)

Рис.7. Расчетная схема многоканального пластинчатого КИО

:-х/пЛ дЛ+(1Тг/Тг») = -}тдх v . дг

1 +

1 +

А^МиЛ**»-**)

(2)

+ - г,)+ (1/СР! ...+1 (<г^+1 - )

= о, (3)

где„/=1.....и-номер канала (потока); ■

(/,7— 1), (/,,/+ 1) - индексы, характеризующие взаимосвязь между у-м потоком воздуха и пленками жидкости, находящимися на поверхностях сте-нок/-го канала, смежных (/-1)-му и (/+1)-му каналам соответственно.

Для получения однозначного решения система (1)+(3) замыкается зависимостью между влагосодержанием насыщенного водяного пара над поверхностью пленки и ее температурой =/{ ) и дополняется граничными условиями, устанавливающими значения параметров обменивающихся сред на входах в соответствующие каналы КИО.

Учитывая большое разнообразие конструктивных особенностей косвенно-испарительных аппаратов, граничные условия формулируются для каждого типа теплообменников отдельно!

Разработанные на основе данной физико-математической модели программы расчета на ЭВМ позволили провести анализ процессов тепломассо-. переноса в аппаратах косвенно-испарительного типа, реализующих прямоток, противоток, перекрестный ток и регенеративный принцип (рис. 1, 2), а также в новых теплообменниках с комбинированными схемами движения обменивающихся потоков'воздуха (рис.4). Численные эксперименты дали возможность оценить эффективность этих аппаратов и области их рационального применения.

Наиболее подробно в данной работе представлены результаты исследований тепломассообмена в аппарате (рис. 3), прототипом которой ЯЕЛяет-ся теплообменник, разработанный проф. Майсоценко В.С (рис. 2).

Воздухоохладитель работает следующим образом. Общий поток воздуха вентилятором подается в чередующиеся перекрестно-точные каналы, в которых поток воздуха / (/) проходит сначала вдоль сухого участка тепло-обменной поверхности, а затем вдоль влажного-капиллярно-пористого по-

крытия. Охлажденный н частично увлажненный основной поток II (1Г) направляется потребителю, а нагретый и увлажненный вспомогательный поток III (ПГ) выбрасывается в атмосферу.

Очевидно, что для предлагаемого теплообменника имеется вполне определенное оптимальное соотношение расходов основного и общего потоков воздуха и соответствующее им отношение площадей влажной п сухой поверхностей контакта, обусловливающее снижение средней температуры насадки.

Однако, обоснование потенциально заложенной эффективности процессов тепломассообмена и рациональных режимов работы данного аппарата требует детального теоретического исследования. С этой целью рассмотрим физико-математическую модель тепломассообмена, полученную на основе уравнений (1ЖЗ) и расчетной схемы (рис.8).

j [ Канал персого потока ]

......к,......

, ( «сухая» ( 'она

0.8--1 зона I-адиабатного

ч—г----—увлажнения

[ОСНООНОЙ,

поток II,

0.2 0.4 0.6 0.»

б)

1 0,8 0.6 0.4

( Канал второго потока } Г] { Основной ^ J I, поток II' )

зо^а

_ ГВсп ом огат ельны Й У [ поток III

^ зона политроп ного увлажнения

адиабатного увлажнения,

«сухая» зона

(полный^поток 1~'

0.8

1

i

4

i

i

Рис. 8. Расчетная схема и зоны активного тепломассообмена в наездке перекрестно-точного КИО

di

дХ

= = Г°1 ('»'1,2 +

dt

д Г

Г '= Го2 {t„u - t2) +

+ ' \ £n_ dd i

j ах

f N

+ dd2

2 9*

dd s ' \' , „

aa

d¥

=- = Fo: (a/Le)2i (dn2 ¡ -d2) _

дХ дХ

Г о\

9

с \ с,

IV 2

IVI

д¥ 81

('»2,1 -Ь)

= 0

Система (4)^(5) дополняется граничными условиями.

ДГ= о.

У = О- 1

* = о

' ^ 2н <*2

ЛГ= О- 1 У = о

= а

2н

(5)

(б)

ЛГ= 0 - 1 ' У = о

У = О - 1

f

= '2„ = '„ •» Ы= = : = = "г» • (7)

и функциональной зависимостью изменения коэффициента смачиваемости а по поверхности насадки, обусловленной конструктивным решением исследуемого теплообменника

а!,2

2 ,1

Г > X

Т < 1Г

> ¥ ~х~ < Т

П

и

п и

X й (1

х~ > (1

I* В П )

£ £ Л ) ■

¥ < ( 1 - Ь гп ) ,

г" > С1 - Г6Л).

(8)

(9)

Для определения значений модифицированного критерия Фурье Го и числа ЛьюисаЬе, входящих в систему (4), необходимо иметь представление о характере изменений температурных и влажностных, напоров по глубине насадки. Однако получение подобного рода информации требует дополнительных численных или физических экспериментов.

, Если воспользоваться сугубо прагматическим подходом, то предпочтение следует отдать итерационному процессу численного моделирования. Предварительно задаваясь видом продольного градиента перепадов потенциалов переноса как для влажной, так и для сухой зон каналов, рассматривались предполагаемые и полученные в результате решения дифференциальных уравнений математической модели профили перепадов температур и Благосодержаний. При их несоответствии осуществлялась корректировка, характера функциональных зависимостей напоров. Такая последовательность расчет(?в сохранялась до тех пор, пока не достигалась адекватность продольных профилей потенциалов переносав начале н конце итерации.

2

I 111 It : I pnpOlUlliie- llï: iiiiiciillfi! Clh к ЧЫ (4)+(9) 01 ЛЛЛССТ влякось. численными M'.-, 'о ла\ш i 11-1».:Ij t.'.-iiniK- jи-Iîi-, I■ Iif находилось n ча/киiм< ■ к простраи-CÏIIOIill-'ii (•(> l-.ь: ï и ri'.i СФ.01М р;Н01'.ЧЫМ и.-Ч'ЛЬ ОСП У. I iiMl'lieilllV iiofmMCTpOl» 1 -I О .noîI.'K-Mlpli ilCjü'.-Cb.l-: 01 ОДНО! Г, , к другому определи'Н* ь методом l'ym-" Kvna. а расче» чаемых iipoinm>-iHU.\.-'no Гот п </. проооцпнся в со- « огвеii.iкии i принятым конечно-раэн'.ч.шым' шаблоном. Температура стенки iv.i« г-я ¡л.(., огфелепя.'^к.ь из уравнения (.5) итерационным методом В с г степна.

Описанный алгоритм реалию«« ж в расчетной иро1рамме, которая включает и «соя *М модуля, оформленных в пиле подпрограмм Function и Suhl он/тс. '

Аиробаипя программы осулпествт.ялась с помощью расч-та тестовых иартшпл} с известным!! теоретическими решениями. Положи ¡ельные рс-•чулыаш nnpot5aumi п сопоставления экспериментальных ,и теоретических исследовании., проведенные автором .чля целого ряда других косвсн.но-испаршсльиых иозjy.vooNji-'i.üiiTCjii.-i!, лают основание полагать; что предложенная фи щко-математическая модель позволяете требуемой для практики точностью' предскажиь характер основных закономерностей промесса теп-лом.к:сообмена в насадке. Некоторого уточнения потребовали условия су-шеспюваиня различных режимов в иримеионпп к реальном процессам и ainiapaia.M.

Достаточно ijo'ibiuofi объем нровсленных численных экспериментов позволил получить ма.ссп» данных, который был использован для анализа характеристик .процесса 1> выявления его общих закономерностей. Представленные результаты расчета одною из режимов работы исследуемого ' In[Кт тают возможность судить о вероятности образования трех нон активною пюломассообмепа. существенно отличающихся по характеру протекающих в них процессов, {рис. 8. 9)

Анализ шмененпи параметров вспомогательного потока III в зоне полпт-роппого увлажнения позволил установить• наличие двух учасчьов (рис. 9. кривые соответствующие Y ~ 0 и )' 0 2). На начальном участке; высокие значения температурных >» з.пажносгных напоров обусловливают интенсив- 1 :юе испарение воды в воздушный поток ///. что приводит к ею охлаждению. Вместе с тем., температура пленки-волы повышается, т.к. через влагонепроницаемую с генку от потока ИГ к ней подводится практически неизменный тепловой поток, который при снижающемся градиенте елчгосодер-жанип в канале /II потока может начать превышать охладительный эффект нснарепняг Поэтому в определенном сечсчши канала температуры воздуха и пленки жидкоеri! становятся равными. На оставшейся части насадки (по хо-. .ту движения III Потока) нагрев пленки со стороны' потока ИГ приводит к тому, что температура штенки водкл становится выше температуры ///потока

I... , с

!в\

б) . г^

?.!

18

15

13

П

У у

/

/

■ и /

V

О О,г 0,4 0,6 0.8 —д>- 7=о.о - г зона

-»д.. "=0.5 - ] зона —'7=0." - 2 зона

О 0.2 0.4 0,0 0.8 !

Л , г/к г

ш гаг

*

.V

9 0,3 0,4 0,6 0,8 (а„г л,), г/кг

(•1 г"* ' ИИ X

(> 0,.°. 0.4 0,6 0,8 1

--Й-- 7=0,4 - I зоне —х— 7=0.6 - г зона

—О— У=С,4 - £ аонв ""О"" ~ 1 зона

. ---- 7-0.0 - 1 зона >1 У-О.в - 2 зона

1 ?она - ссудой;: -теплообмен; 2 зона*- полнтропное увлапзтенне, 3 -¿она - адиабатическое уапа:шенне

<> 0.2 0,4 0.6 О.А

- 7=1.0 - ].-зона 7=1,0 - 3 -зона

ср. СС-Н'ЛБНОЙ

ср. йбщнА

Рис. .9. Изменение параметров воздушного потока нпаенкижццкосш б перекрестно-точном косвенно-испарительном Боздухоохлздггеле туп /„ = Зб':С; ^ = 9 г/кг; Го = 3,0; = 0,4; 7Г„,ЗТ1:1/7Г-= 0,4

(к;г'.'лл«"' I а!им обршом >м р'Ш-чиом участке протт.'Одит нагрев потока (;•■ <;>уч.1!пМ1 сиурннспии но г? ' ■пиости массоперенп.-а.

' )> 1НЧ11"1Ч:М1 .ной г-г'-г'сниг" •> |.|<< тенломассопереиоса при прохождении <хт«.чч!он> потом 1'.о<чу// !ч1мль влажной поверхности какала- является (¡•чихания данной! проимь.» р нре.тслах лишь начального участка активно-I': тсплом-лссопоо.-иа. к- тг ил Г1 при /,,,., 0 сократятся до. минимума но М^ре смешения рассматриваемы о продольного сечения к боковой поверхности 1»<х.1:1ки У 1.0. Данное обегоятельство иршшши' к тому, что про-фил.т температуры оаюоного потока на выходе из насадки носит экстремальный характер {рп«:. '-)), что.следует учитывать при определении оптп-мяяъньл значений длины участка адиабатического .увлажнения и соотношения основною / (Г) п неломеч ательного II (//О потоков,воздуха при их разделении.

Дальнейшие исследования б|.1ли направлены на поиск рациональных режимов работы косвенно-' натригслыюго воздухоохладителя. Условием применения оптимизационных методов для решения .тгой. задачи является выбор критериев -эффективности. Независимых параметров, определяющих процессы тепломассообмена в аппарате, и модели: отражающей взаимосвязи между н • :а!'1!' имимп переменными и функцией пели.

О качестве грн к-рп-.-и термодинамического. совершенства процессов теп.чом.к 1-ообм^па в КПО при фиксированных массогабаригных характеристикой выступали следующие показатели:

«относительные температурный н.энтальпнниый перепады по точке росы £',, (7., Л-) /(/„ - /,,г) и Е,, = (/„ - К) /(/„ - /„''):

•удельные холоаонроизгодшельности по явной и полной теплоте Оя......

О,,,,... отншччшы« к.едшите объема насадки. кВт/м':

•козффиииешы 'использования зпергнп'по явной и полной теплоте, характеризующие отношение теплового потока, переланного через поверхность теплообмена наса н-н к зиер! ет ической мощности, затрачиваемой на перемещение воздуха. Ои,, /Д'и О^,,,/X.

15 данном случае трудно отдан, предпочтение какому-либо из перечисленных критериев эффективности, т.к. ни одни из них в отдельности не в сое те,¡шин учесть всей совокупности технологических и энергетических требований к косвенно-испарительным воздухоохладителям. Только комплексный учет всех этих, показателей дает, возможность 'определить их ра-иионаяьНие режимы работы. .По-яому па первом этапе ставилась задача'ис-I- и. иммии-.! влияния различных режимных параметров на величину, каждого 1Юка<;пе;Н1

К качестве независимых пг.ремепнЫх. однозначно определяющих значения выбранных критериев, были приняты следующие факторы:

• начальная температура охлаждаемого воздуха/,,, °С;

• начальное влагосодержанис охлаждаемого воздуха <■/„. г/кт: •скорость воздуха в насадке и': I •относительная длина участка адиабатического увлажнения /.„,: •соотношение водяных эквивалентов потока воздуха, направляемого к потребителю, и общего потока воздуха М'„0,р/

На рис. 10 представлена графическая интерпретация результатов численных экспериментов, проведенных'на модели (4)^(9). Отметим .существенную зависимость всех .рассматриваемых показателей эффективности от начальных термодинамических параметров обрабатываемого воздуха (рис. 10Д 10.с), что следует учитывать при установлении области рационального использования КИО. Анализ влияния изменения расхода общего потока воздуха дал ожидаемые результаты: максимальные значения показателем О...../ /V. 0,ю:ш / ¡У, Ер', С/ соответствуют минимальным расходам обменивающихся потоков воздуха (максимальным значениям Го), а ркстремум Оя„„ " 0„0:ш достигается при максимальных расходах воздуха (минимальных значениях Ро). . * _

Существование экстремума на кривых /;р = /(/.„.,) при фиксированных значениях И',к,,р / (рис. 10.«. рис.. (ОД) объясняется конкурирующим влиянием двух процессов, протекающих последовательно г. зонах «сухого» теплообмена и адиабатического увлажнения. Из графиков, приведенных на рис. 9л. видно, что в.зоне «сухого» теплообмена температура стенки канала по ходу движения основного потока снижается. При переходе потока воздуха в зону адиабатического увлажнения наблюдается скачкообразное падение температуры стенки за счет увеличения поверхности массообмена. обусловленного реализацией промесса испарения влаги с прсих сторон.пластин насадки. Далее температура пленки жидкости остается практически неизменной, равной среднем температуре по влажному термометру основного потока воздуха на выходе мз «сухой» зоны (рис.9.«). При таком характере процессов тепломассообмена изменение соотношения площадей сухой и влажной поверхностей насадки приводит к появлению двух противоположных тенденции. С одном стороны, -увеличение площади сухом поверхности теплообмена вызывает снижение температуры основного потока на границе зон. а. следовательно, и средней температуры насадки на влажном участке. С другой стороны, происходит' сокращение поверхности тепломассообмена в зоне адиабатического увлажнения.' Таким образом, следует ожидать. что имеется вполне определенное оптимальное соотношение площадей сухой и влажной поверхностей насадки.

Экстремальный характер профилей температур потока воздуха на выходе-из насадки обусловливает наличие локальных максимумов зависимо-

о а

052;

:

ос ; 0^5

1 '«■Зв'С* — С..0 ---£,.0.4 0,5

о ог о о? т

О 0,2 Ц4 0,6 0,8 1

£.111 1

т

'т*-" 1

( Л-0Г4Т --г„=зр

о 0>

ое о^ 1

—г.. о -А-Г—ол —Г», о.»

—-£.=0.6 ^>£. = 0.9 - о Г„ = 1X1

---Т.. о

-Л-С.-0Р — П.'-ол

—-С.-0/! -О-Е.-О0

о

.0,6 0,5

0,3 0,2 0,1

-с ' ГсЗ ,0

¿«ЗгАг

-О- 4-12 г|

0,2 0,4 0^5 0,8 1

-д-йь^й-ои

Рис ' 10 Зависимости показателей эффективности процессов тепломассообмена перекрестно-точном КИО от безразмерных конструктивных и режимных параметров

ста Ер — / (ГГ'пог,, / которые при фиксированных значениях площади адиабатического увлажнения достигаются при выполнении соотношения (М'потР / Щ-) - ¿м, причем глобальный оптимум соответствует (Й'ПОтр / = ¿еп = 0,4 (рис. 10. а). . '..'■•.

Установленные 'закономерности указывают на необходимость реализации совместного тепломассообмена между основным потоком и насадкой е пределах участка адиабатического уелажнения. ,. ■

Характер зависимости Е; :=f(Ll:•., ГГпэтг, / Н г) анапогичен рассмотренному выше. Отличительной особенностью является постоянство относительного энтальпийного перепада Е,- при варьировании параметра Ьъп в диапазоне [0, \Уп01р / IV:] (рис. 10.6, 10.с). Порченный результат объясняется тем, что на концевых- участках поверхности тепломассообмена, ограниченных (1ГП01р/ Не) Г) !'"> (^потр/ реалшуется адиабатически"! процесс увлажнения независимо от величины параметраГлобальный экстремум Е; соответствует(Н'П0Тр / И'Ь) = С,л ='0 (рис. 10.б). .

Таким образом, оптимизационные расчеты на математических моделях, проведенные с целью получения сведений о происходящих в КИО тсп-ломассообменыых процессах по ка>вдому критерию оптимизации в отдельности,'показали, что экстремальные значения частных показателей эффек-ти ш ю сти н ах о дятс я в различных зонах исследуемой области изменения режимных и конструктивных параметров установки.

Особенностью работы воздуховоздушных теплоутилизаторов является ■ возможность реализации процессов тепломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осушения удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы и инея на всей или части теплообменной поверхности. В этих условиях одним из перспективных путей повышения эффективности улавливания теплоты удаляемого вентиляционного воздуха и устранения опасности образования инея в каналах насадки является рациональное использование теплоты конденсации, величина которой при определенных режимах работы теплоутилизаторов достигает 30%

Насадка исследуемого аппарата выполнена из последовательно установленных капиллярно-пористых пластин, одна из сторон которых покрыта влагонепроницаемой пленкой. Компоновка теплообменного пакета осуществляется. таким образом, что каналы, ¿мраниченные пористыми поверхностями пластин, служат для прохода удаляемого воздуха,' а стенки каналов для прохода потока наружного воздуха образованы влагонепроницаемой по^эхностью.

I нсхсакых Дакки;

Г)

Задали* >: Г1'Офш;4Й

теигйр^у^. и

^ ШАГЭ'.ОДерЖАКЯЙ ПО 20Н'1?Т

т

Оп;еаелгкие Рог, Рол к Ьел по зсичт

(НН)

Блок £»сч«та режима 1

„ «сухог теппосЬмек* 1

СПОК £ '«СЧбТл р: >:к мл 1

УО кд^кс г^ТО! 1 П-хГК ! роо ») )

1 •■ ?

с'

Ьог Е •»:чгт1 р^жит.т» 1

Я* 4« ;оЬ1 аЗОГ4КИЯ )

'.ООТТёТСТЕуйТ . ■'характер грсфипен перегнал чипврАГ/р и гаагосоргрпаитЗ..--' 54ккнНОКУ ?

Выгод р* 1у711Т!ТЫ

х

(С

Рис. 11. Блок схема решети ураппений 'из тематической модели тепломассообмена ; в перекрестно-точном утилизаторе теплоты:

Подобная конструкция насадки дает возможность провести процесс утилизации теплоты вытяжного воздуха в режиме тепломассообмена с конденсацией влаги на капиллярно-пористых стенках каналов, а нагрев наружного воздуха - в режиме <<сухого» теплообмена, исключая затраты тепловой энергии на испарение влаги в приточном воздухе. Использованные теплообменные пакеты из полпхлорвнниловых пластин (ми-пласт) способны не только впитывать образующийся конденсат, но и обеспечить его сток внутри диффузионного пространства.

При такой конструкции теплообменника нет принципиальной разницы в подходах к физико-математическому описанию теп-ломассопереноса в косвецно-нспарнтельных воздухоохладителях и теплоугилизаторах с пористой насадкой. Различия связаны , лишь, с алгоритмическими особенностями решения системы дифференциальных уравнений, обусловленными ■ разнонаправлен-■ностыо процессов конденсации и испарения и невозможностью заранее указать для различных начальных. состояний обменивающихся потоков воздуха границу перехода от сухого теплообмена к совместном)' тепло- и г.гассообме-ну. Поэтому при разработке физико-математической модели исследуемого аппарата использованы основные допущения, преобразованные уравнения (1 ):(.->! и замечания относительно условий вы-

полнения соотношения Льюиса, приведенные выше. Наиболее общие моменты алгоритма решения системы уравнений математической мод ели,реализованного в расчетной пр огр амме, пр едставлены на блок-схеме (рис .11).

На рис. 12+14 приведены результаты расчетов одного из режимов работы исследуемого тепдоутилизатора, позволяющие судить о' качественно ожидавшейся возможности образования трех зон активного тсгшомассообмепа в каналах удаляемого воздуха (рис. 13), отличающихся по характеру протекающих в них процессов. Данное.обстоятельство обусловливает необходимость определения коэффициентов теплоотдачи и соотношения Льюиса в каждой из установленных зон в отдельности.

Численные эксперименты базировались на цикле оптимизационных расчетов (аналогичных описанным выше для аппаратов КИО), в которых параметры, определяющие работе исследуемого теплообменника, подвергались изменению в диапазоне, охватывающем область его реального использования.

Методом численного анализа выявлен характер зависимостей принятых показателей эффективности работы утилизатора теплоты от безразмерных режимных факторов при различных- начальных состояниях обменивающихся потоков воздуха. Особое внимание уделялось вопросам разработки безопасных режимов работы исследуемого аппарата, которые оценивались по показателю относительной площади возможного инееобразования

Как и следовало ожидать, процесс инееобразования резко интенсифицируется при понижении температуры /,„ наружного воздуха и увеличении его расхода•<?„ при варьировании соотношения (1УС / Щ), а также при снижении расхода удаляемого теплого воздуха

(Рис. 12, Лучи процессов изменения тер-; мод! там I по ск! к параметров обмени-: Бающихся потоков Воздуха и насадки в; перекрестно-точном теплоушлизаторе

; Рис. 13. Зоны активного тепломассооб-I мена в каналах насадки перекрестно- : точного утилизатора

си 0.4 Одб 0.3 1

41-«о»-".™."

- Г' - ■ ,к№"И"

- . - - ."пл

- Д - 2. '

—О— - "ипг^1

- *

— + — л"=0,в -"Елиа"

-О-^,?■"<>■>»-

—V 0,8-"ЕГ1Г1'

(б)} -¿).гЛг

.....< "

02 0.4 00 08

—

— Д-*!=03-1о«п"

—0-^0,4-"хтх*"

---Ак^-^таг»"

— О—Ак|,е-Ту1:о" —^—»О^-'Нич"

—— ~ 1 р. '*1ъг*И —<3>—ср»даке знач.

Рис. 14. Зависимости продольных перепадов -температур и Елагосодержаний в насадке перекрестно-точного КИО "

Из графиков, приведенных на рис. 15, видно, что имеются четыре характерных режима работы теплообменника, в пределах которых вид зависимости -Г1се =у(ф;и) качественно меняется: а) «сухой теплообмен» на всей поверхности насадки; б) конденсация влага в виде инея; в) конденсация влага в ввде инея и росы; г) конденсация влаги в виде росы.

-В- «ь-н-е

гЛ" «и-м 'с -а- 4,-13 *с

-О- 4^=33 •С —*С

75

-> - *>М 'С

■А й.=1б'с "И" ЬаЕ'С О 'с

•©» чи = 15%

»"¿У" <ри = 30'/.

-а- = 43%

-О- Ф* ■=85%

-ф- <Р = 75*/.

—5,=-зо *с -¿У

-С- с=о*с (.--ио'с

: Рис, 1 5. 'Зависимости показателя образования инея относительной площади зоны

конденсации влаги в В1 ще росы от режимных параметров

Реализация указанных режимов зависит от соотношения начальной температуры удаляемого воздуха по точке росы г15,,, и минимальной температуры стенки канала Г,,""", которая, как правило, наблюдается на участках поверхности насадки, контактирующей одновременно с холодным приточным .воздухом на входе в теплообменник и охлажденным удаляемым воздухом на выходе из него (см.,рис. 13 приАГ=0 о Г= 1).

Анализ результатов проведённых исследований показал, что в исследуемом диапазоне варьирования значений температуры внутреннего воздуха (Лж = 14 -ь 22°С) переход от «сухого» теплообмена к режиму конденсации влаги при /сн= -10°С характеризуется отрицательными величинами минимальной температуры стенки насадки и начальной температуры точит росы удаляемого воздуха (/„,""" </рйя< 0°С), т.е. реализуется режим инееобразова-ния, о чем можно судить из сопоставления графиков на рис. 15.а и 15.6. Очевидно, что дальнейшее увеличение начальной влажности внутреннего роздуха на входе к .теплообменник фИн , обусловливающее возрастание температуры точки росы /рАн, приводит к расширению области поверхности на- садки, покрытой инеем (восходящие ветви графиков зависимости Х-с ~ /Тф1Ш) на рис. 15.а). Повышение ср(1Н при / Р!]Н > 0 связано с возникновением между участками инееобразования и «сухого» теплообмена увеличивающейся зоны конденсации влаги в виде росы (рис. 13 и 15.с). Данное обстоя-тельстао приводит к тому,, что начало образования снеговой шубы наблюдается на более отдаленных от входа в теплообменник .участках насадки, т.е. снижается относительная площадь поверхности насадки, занятая инеем Г1Сг: (нисходящие участки графиков зависимости —./(фяа) на рис. 15.<з). Ярко выраженные экстремумы этих графиков соответствуют началу возникновения зоны конденсации влаги в виде росы при отрицательных значениях минимальной температуры поверхности насадки < íp^!H = 0°С). Данное обстоятельство учитывалось при оценке возможных путей реализации эффективного улавливания теплоты удаляемого воздуха и снижения опасности образования инея в канала насадки теплообменника.

' Особенности физико-математического моделирования тепломассообмена к регенеративных осушителях воздуха. -

В последнее время в теории и практике расчетов процессов тепломассообмена широко применяется термодинамический метод анализа, основанный на понятии потенциала переноса. В таких случаях полагают, что движуща" сила, переноса пропорциональна градиенту соответствующего потенциала.

Исследования.' нроведснные Лыковым A.B., Никитиной Л.М., Юрма-новым Б.Н. и др. показали, что в обласги гигроскопического состояние коллоидных капиллярно-пористых тел в качестве термодинамической движущей силы, сопряженной с потоком влаги, следует принимать градиент химического потенциала

Современные физико-математические модели тепломассообменных процессов, протекающих в аппаратах с пористой насадкой СКВ, построены при следующих основных допущениях: ,

• движущей силой массопереноса является градиент влагосодержаний (парциальных давлений);

• коэффициенты тепло- и массообмена постоянны и связаны меду собой

Исследования, проводимые в МГСУ под руководством В.Н. Богословского, показали, чю неизотермические' процессы влаго-о.бмена могут проходить при равенстве парциальных давлений обленивающихся сред, или далее в направлении, противоположном положительной разности концентраций водяного пара в воздухе. Кроме того, наблюдаемая в этих работах Зависимость коэффициента массообмена от потенциала влагопереноса насадки и состава ее пропитки сорбирующими растворами нарушает условия, при которых соотношение Льюиса справедливо для совместно протекающих процессов тепло- и массообмена. Таким образом, использование теории расчета процессов гепломассопереноса при указанных допущениях имеет ограниченный характер. Это, прежде всего, относится к описанию нестационарных процессов сорбции и десорбции, конвективного тепло- и массообмена, теплопроводности и диффузии, протекающих в регенеративных осушителях воздуха. В этих процессах температура, в лаго содержание воздуха и насадки изменяются в широких пределах, что существенно влияет на значения таких термодинамических характеристик переноса как коэффициент массообмена, удельная изотермическая массоемкость, температурный и термоградиентный коэффициенты потенциала влагопереноса.

Однако основным фактором, обусловливающим построение более сложной физико-математической модели с использованием осноеных положений потенциальной теории Полягт,.является аномальный характер

соотношением Льюиса.

/ 'А,

k

Г ■

V

100%

направление теплопереноса

направление массопере носа

сектор осушения \ j

Рис. 16. Изменение параметров воздуха с регенеративном осушителе

. переноса влаги в гигроскопической насадке осушителя, при котором, поток влаги идет от осушаемого воздуха с меньшим парциальным давлением водяных паров к ре генерационному воздуху с большим парциальным, давлением (рис. 16). • ' '

В' соответствии с принятой постановкой задачи математическая модель нестационарного тепломассообмена в регенеративном осушителе воз-'духа включает дифференциальные уравнения теплового и материального балансов, уравнения кинетики тепло- и массообмёна, характеристическое уравнение адсорбции .

-4- = Но, дх

—¿-=Н<>, дх }

д

Г \ 8*} 11 эху

аЧ.),(ря, - ц^Цдц/дг^п-^ -1;)-

др-; дХ}

дх

(10)

дх*

гдеу- счетчик стадий (/=1 - осушение воздуха;,/=2 - регенерация насадки).

"Входящие в систему (10) безразмерные комплексы определяются по следующим выражениям

я1® = ("*)/(<?*,); Ео„ ={«.Рх0)({ммс„); но = (№х0)/1

Для получения одйозначного решения система (-10) дополняется на-чальными'услоЕиями распределения потенциалов переноса насадки

V

'тн

= ; д.

т=0

Л'1 =0-1

(12)

х=0

XI =0-1

и граничными условиями

А'1 = 0 . т> 0

_ = а\п Ч ЛГ1 = 0 .

х > О

_ =

Х2=~1 х>'0

_ ~а2н = <г1н ■

Х2=-г

х > О

При |>:и:ч: .,-ц мпопмладиГшых циклп-кчлм-. процессов красные уело• ПИЯ ЛОИО.ПиШ.-ь.ч Vi .Н'НИИШП переключения

(*:') : .и,, [У •! ',.(*■) | -/„ДХ:) : It „,( v,} j u,;.^;) .

■Ai, •(/ I)

(14)

т i

me /-!.2..... n оклчпк циклов: Ati - относительная продолжительное! i.

стадии ос\ iiiruüя..

-Учитывая нелинейным ха-ра>-тор предварительно установлю i¡!|ь!ч зависимостей юрмодп-' п;лшч;:еких констант влагоие рсиосл f',.. (с',, ),,. (Гц / rT)j. сд-.

oí ii.-мнератур н химических пот ониналов обменивающихся ■ р.: i краевая задача с дпмамнче-cunui i ранп'шы.мп условиями и нтс г рпровалась численными \ПЛО ТГЛШ.

t'a фаоотапнып алгоритм ро i П!: 11 ни системы (10)+(14) im-!i;o iiM реализовать метод расчета ионных параметров процессов к пюмассообмена в perene panmitoM осуши геле воздуха на ')КМ

lli основании численных •жак'-римеитов. проведенных и рсаиг'.'.чмом па практике лиана чту, тиснения значении беч-р.им.-¡миix комплексов (llj ус-iaib'ii i'.'iio. что в каналах гигро-скошг-илкои насадки наблюдается режим "¿ом,'чшн/чт>и>,'>н анты", законом* рпогш которого наиболее ярко прояг. 1.нич:'.;н про , тенно.ч» вращении pon>p;i (рис.17). I? этом слу чае на .toóoi;í;m \ча^тм- к'ора регенерации кчаимотеиствие потока воздуха с материалом »¿Нмлкн >tpiiR0.nn к его охлаждении >о температуры /|н и ув дажненши чи» ооуспоьлипап возрастание xn\nr¡¡; v-ч о потенциала воздуха

Рис. I '! N.-.рлк! филеи' : i'

МС1|«|Ц i ¡> i IS4.T . iKUM.ii.Ti и- í.cn:.i|»: i; при <•'.!■•' t H.IIÜOM! ¡:¡T¡¡

a>!¡"

: ! i ГП;

líi'CHHM tipo' CKll.X 11ílpil-

гтнмшческои ¡i" i ciiepauiiii ■"чин ротора

иыше начального значения потенциала масеопе/кноса насадки Ць,. По мере дальнейшего движения воздуха вдоль поверхности насадки возникает <ю-/хинный процесс- адсорбция влаги. Прогрев насадки и увеличение се химического потенциала вызывает еще большее возрастание влагосодержания и температур!,I воздуха, а. следовательно, более глубокое-нагревание и увлажнение последующих слоев насадки. Наблюдаемая стабилизация химического потенциала потока приводит к выравниванию параметров состояния воз духа п Насадки. ' .

Таким образом, исследуемый процесс характеризуется наличием двух зон активного тепломассообмена- фронталыюпп тыловой. В первой'зоне происходит вторичная адсорбция влаги, благодаря чему температура воздуха и насадки возрастает от начального' значения /(„ до равновесного 1: . Ты ловая зона сформирована фронтом полного прогрева насадки. Увеличение температуры обменивающихся сред от равновесной до обусловливает протекание процесса десорбции влаги. В данном случае фронт вторичной сорбции перемещается с гораздо большей скоростью чем тыловой (Уф .23ут), поэтому между ними образуется промежуточная зона, в которой воз дух и насадка находятся в равновесном состоянии при температуре п химическом потенциале |д: . " •

Аналогичная картина режима '"комбинированной волны" наблюдается в секторе осушения. В этом случае' во фронтальной зоне происходи^ вто ричная десорбция влаги, а во второй (тыловой) зоне, сформированной фронтом полного охлаждения насадки, осуществляется процесс адсорбции. Установлено., что скорость перемещения второй зоны активного тепломас сообмена в секторе осушения приблизительно в 1:5 раза ниже, чем скорость движения соответствующего фронта в секторе регенерации. Данное обстоятельство учитывалась при определении оптимального соотношения времени проведения стадии осушения и реактивации.

Обобщение результатов численных экспериментов в критериальном виде позволило выявить наличие локальных экстремумов зависимости глубины осушения А(1) и' коэффициента эффективности явного теплообмена /:, от безразмерных режимных комплексов. На рис. 18 видно, что величина глубины осушения достигает своего максимального значения в диапазоне изменения модифицированного критерия Фурье Ро 20-;-30. Указанный интервал на порядок отличается от соответствующего диапазона варьирования' Го во вращающихся регенераторах, что не даст возможность экстраполиро--вать результаты известных исследований этих теплообменников при нрове ленпи оптимизационных расчетов работы регенеративных осушителей.

Анализ закономерностей режима комбинированной волны позволил обосновать экстремальный характер' зависимости Аг/, = /{Ро). Так. при малых расходах обменивающихся потоков (Ро>30), когда значения пара-

м1.-||.ч;и bi• «духа па pij.v:*»- «и 1 '• |дноикп п основном определяются длнтель-ноеиш прохождении ч<-pi-' ■ на. току первого фронта комбинированно!'! волом i ки.шчеппе расхо/ток '-o v'.y .-. i приводит к иовыии-ппю эффективности M:ii-r<;in'|i.;noca за ече! кофасч.дния скорости перемещения первой зоны, акт пищ до тепломассообмен;.! v.j. чю обусловливает смешение среднего влаго-содержания воздуха на ki.-.no.<•..•• in осушителя в сторону низких значении (iL. i. При больших расхода ки?духа.(Го<!5) наблюдается противоположная тенденция (см. рис. 1К). Р этом случае эффективность вдагоперсноса зависит «и времени л ост нження гранпны второго фронта активного тепломассо-oiVuetCi хвостовых учаедкоь шсдакн. т.е. обратно пропорциональна скорости'перемещения второй зоны Ут. Поэтому, увеличение расходов обменивающихся потоков ноч/тухл прнполит к снижению глубины дегидрирования.

-л- «

Fiic И! Записпмоеш i.nonni.i ог.уш'чпи Л;/| и коэффициента дффетмiuiiukiii явноготен-iOüOML.H.'i /•.', о! си остра пкрцмл тн.м .пмпм.х нара.мстрои и рсюисраппшом осуши геле

Полученные в результате численного эксперимента данные позволяют седин, о возможности реагчгацнн эффективного тепломассообмена в исследуемом аппарате, ппешгп. диапазон изменения оптимальных режимных параметров вращающегося осушителя (15<Fo<30: 5<И'<40:- 0.2<ИУИ'|<1) и об.т.'к тт.- сю рационального орнмепепия.

Эьт иеримента.тыпде псс.н дшгання тепломассообмена п регенеративном

<><\импч\те воздуха

Достаточная с ножное-'!» ir трудоемкость комплексного изучения не-ст-тммонарпых процессов "/сиюмпссообмспа во вращающемся осушителе ■«нчу'-ч- онрелелили необходимость проведения самостоятельной серии -■>.; iJiриментов но ви.явле'.дю пирометрических характеристик системы !< i.iHMoTci'b. т впя влажнею нел.-рм.» •■'материалом насадки и обоснования он-"П|\|д I!*11.■ 11■ состава i шрос'-очичеекоп пропитки.

Опиты проводились в гмгротермостатпческои камере с образцами на-салки. пропитанными сорбиионным составом на ¿основе, водного раствора LÍCI различном концентрации г:,,. В результате исследований гигростатики насадки, проведенных в пределах экспериментально установленных границ различных форм связи, выявлены характеристические уравнения изотерм сорбции, на основании которых получены аналитические выражения для удельной изотермической массоемкости и дифференциальном .теплоты адсорбции

(/.. = -Ц + 4,05 • 10~' К -[г/(Г - 37)]"

(15)

(16)

В осн ^'.у экспериментальных исследований гигродипампкп положен разработанh. iii и реализованный па ЭВМ метод определения коэффициента массообмена ß„ из дифференциального уравнения кинетики нестационарного влагообмепа

du/th^^F.....-ц)- (17)

Данный метод, основан-:и>|й на аппроксимации опытных кинетических кривых и -/(т)сглажпваюшпм сплайном, существенно упростил методику проведения эксперимента и повысил точность определения [5И на границах различных форм связи влаги с материалом насадки (рис. 19).

Экспериментально установленные константы гигростатиче-ского ji гигродпнамического взаимодействия в.ржиого воздуха с материалом насадки регенеративного, осушителя позволили получить аналитические и численные решения уравнений динамики адсорбции в пределах различных форм связи, на,основании которых выявлен оптимальный состав гигроскопической пропитки. который признан изобретением (A.c. 1458654). Уравнение динамики алсорбипи влаги асбестовой бумагой в зоне смешанной формы связи влаги с_ко.тлоилным капиллярно-пористым телом имеет вид

i

---- Ii'

------- _ .... -

i

i'

Д : 1 Ч 1

J'iic. 19. 'Заипспмость коэффициент а массообмена ог химического потенциала для acüecio-иой óv.uant

в

п|До|

.9/10

/Я

У г.

+ 1

У к - Ь' Ч.у„ +1

- 1

У 4(г;(Уг. - .у„)(1 +уя.у,:) •

+ £ «,Л

Л* + 1) Г З'н ~ 2«,-.гн + 1

.г* - 2«,..гг + 1/ + 2а{ук + 1

где

Оп = 5/2 рп |Мп|1/Ш Риор/я» ; ^ = (дя /д0) а, = ««(2л/5/), ' = 1, 2; «, = <?«[2тс/5(/- 2)], «= 3,4.

1/10

■Г к = (Д. /До)

1/10

С целью изучения возможностей и технических характеристик осушителя воздуха, а также подтверждения физических представлений о характере тепло-массообменных процессов в насадке были проведены исследования на экспериментальной установке, основными элементами которой являлись: вращающийся осушитель; системы приготовления и подачи осушаемого и регенеративного воздуха; системы водоснабжения, теплоснабжения и электроснабжения; система контроля и автоматического регулирования.

Программой исследований предусматривалось проведение серии экспериментов; посвященных изучении?,взаимного влияния режимных факторов на энергетические и термодинамические показателе работы вращающегося осушителя при различных параметрах окружающего воздуха.

Характеристическими критериями эффективности процессов тепло-массопереноса во вращающемся осушителе воздуха при фиксированных массогабаритных характеристиках насадки-приняты следующие показатели:, глубина осушения воздуха Д^, г/кг; расход удаляемой влаги отнесенный к единице объема насадки; удельные энергозатраты на проведение процесса регенерации гигроскопической насадки коэффициент эффективности

явного, теплообмена между потоками регенерацйонного и осушаемого воздуха.

Анализ результатов теоретических расчегов дан возможность установить б независимых переменных, однозначно определяющих значения выбранных критериев эффективности, и оценить диапазоны их варьирования.

Многофакторность и широкий диапазон изменения параметров оптимизации вызвали необходимость применения математических методов планирования и обработки эксперимента. Выбранные« диапазоны варьирования режимных факторов соответствуют области изменений значений параметров оптимизации близкой к экстремумам, характеризующейся существенной нелинейностью. Поэтому в качестве модели исследуемых процессов принята модель поверхности отклика второго порядка

Достоверность определения исследуемых показателей подтверждена данными теплового к материальных балансов, расхождение которых не

превышало 8% и 12% соответственно. Указанные величины максимальных невязок балансов находятся в пределах точности эксперимента, определяемой с учетом приборных погрешностей и погрешно'стей, связанных с методикой проведения эксперимента. Адекватность моделей поверхности отклика эксперименту' проверялась по критерию Фишера при доверительной вероятности Р=0,95.

Анализ влияния режимных факторов на выбранные критерии эффективности, проведенный на основе исследований геометрии поверхности отклика и оценки значимости коэффициентов регрессии позволил выявить сложное взаимное влияние процессов тепло- и массопе-реноса в тгроскопической.насадке.

На первый взгляд, следовало ожидать, что в исследуемом диапазоне варьирования температуры ре-.генерационного воздуха оптимальным значениям ддолжны соответствовать максимальные величины /2н. Большинство рассмотренных режимов согласуется с высказанным предположением (¡же. 20). Однако, оптимальные режимы, определяемые для низких начальных влагосодержаний обрабатываемого воздуха, характеризуются минимальными значениями температуры регенерационного вт-духа 80°С (рис. 20).

Аномальное снижение оптимального значения температуры регенерационного воздуха объясняется взаимодействием двух противоречивых тенденций. С одной стороны, повышение температуры регенерационного воздуха приводит к более глубокой реактивации насадки, и, следовательно, увеличивает ее сорбционную способность. С другой стороны, повышение /2н сопровождается снижением массоемкости осушаемого воздуха за счет возрастания его средней температуры /1; обусловливающего падение химического потенциала воздуха тщ. При больших значениях влагосодержаний обрабатываемого воздуха влияние /2н на .изменение массоемкости проявляется слабо, рднако принизких величинах ¿/1н ф.1 -> -ад) зависимость массоемкости воздуха от его температуры оказывает решающее влияние на выбор

Рис. 20. Оптимальные значения темпе-: ратуры регенерационного Боздуха по (показателю глубины осушения

Оптимизационные, расчеты показали, что экстремальные значения рассматриваемых функции отклика находятся в различных районах исследуемой области изменения режимных параметров. Несовпадение локальных экстремумов частных функций цели привело к формулированию компромиссной задачи.

Аналогичные результаты и выводы были получены при экспериментальном исследовании утилизаторов теплоты вытяжного воздуха и косвенно-испарительных воздухоохладителей.

^

Методика и результаты оптимизационных исследований

V

Основной предпосылкой получения высокой теплотехнической эффективности современных тепломассообменных аппаратов СКВ является выбор рациональных "схем движения взаимодействующих потоков и режимных параметров, характфгвующийся высокими термодинамическими показателями при низких энергетических затратах, осуществляемый с помощью современных методов'оптимизационных исследований.

Мультикргггериапьность оценок режимов работы исследуемых аппаратов не позволила оценить эффективность теплообменников в традиционном стоимостном выражении, поэтому учет совокупности противоречивых индивидуальных целевых фунщ!й осуществлялся с помощью построения обобщенного показателя эффективности, в качестве которого был принят мультипликативный критерий желательности Харрингто! ¡а

(19)

1=1 . .

где - дифференциальные критерии, приведенные к инвариантному диапазону и имеющие одинаковую размерность; А, — веса локальных показателей, сумма которых отнормирована на.единицу.

Формирование данного векторного критерия потребовало более корректного определения значимости"! дифференциальных показателен и их преобразования в безразмерную шкалу желательности, основанного на методе стохастической квалиметрии. Выбор указанного метода при вариантном проектировании тепломассообменных аппаратов СКВ обусловлен возможностями использования экспертами различной информации и контролирования ее результатами экспертизы. Логическое существо метода заключалось, в анализе введенной экспертами информации, исключении из нее противоречивой части и переводе оставшейся транзитивной составляющей в единицы погрешности. При таком подходе качество экспертизы оценивалось количеством введенной информации/и информационным КПД г).

С целью рациональной организации экспертизы форма представления результатов оценивания принималась единообразной. Построение шкалы желательности и результаты обработки .на ЭВМ данных экспертного оценивания значнмосгей частных критериев эффективности работы регенеративного осушителя приведены на рис. 21 и в табл.1ч-2.

•'-.•-. • • Таблица 1

Экспертная оценка значимостей дифференциальных критериев эффективности работы вращающегося осушителя воздуха в модифицированной лингвистической шкале

I - ын 1 - ык критерии

критерий <7- г ЛК7- 3 Е, 4 5

ОЦСНК& й!1 оценка а , Р, 3. оценка д Ри оценка Рп

1 1 больше 0,95 чуть больше 0,9 больше 1 много больше 0.8

2 много больше 0,75 чуть больше 1 много больше 0,9 больше 0.9

Дф 3 больше больше 0,8 много больше 0,95 много больше 0.95

2 1 чуть меныие 0,9 больше больше б .9

2 меньше' 1 больше 0,8 больше 0.95

• С. 3 № эксперта чуть меньше 0,95 много больше 0,7 больше 1

3 1 - ык зксцррт больше больше 0.9

2 -ок эксперт . - Экспертная опенка 4 , много больше 0,6 больше 0.9

Я1С-. 'з -нн эксперт много меньше чуть больше 1 много больше 0,7

4 1 меньше рихо 0.9

2 чуть меньше рахно 0,95

Е, 3 / - ын разно / - ого не знаю 1

■ - [ЖК чуть больше крнтерня

больше

много больше

не знаю

смнгахсхчесхме труппы :

(подлежащее) (сказуемое)' (дополнение)

Таблица 2

Веса частных критериев эффективности и погрешности их определения, рассчитанные по методу стохастической квалиметрии, для регенеративного осушителя воздуха

- Критерий1 1 *« ; {1к

' Индекс критерия1 1'< < . 2- \ з; ; . / 4'- ' , 5 •

** | 0,36 : 0;19 : 0;24' ! 0,11 0,10

: Д (**) ; о,ю 0,Ь~ : 0,07 : о,оз 0,03-

! / = 29,2 бит . 7 = 21,2 бит Т) =72%

Смоделированный подобным образом интегральный критерий И в дальнейших расчетах рассматривался как обобщенный параметр оптимизации, учитывающий совокупность противоречивых целевых функций и налагаемых конструктивны^ и р ежи м ных о гр ан и ч е н н й.

Поиск экстремальных значении обобщенного показателя эффективности В для различных начальных значений термодинамических параметров обрабатываемого воздуха осуществлялся с помощью расчетной программы методом многомерных конфигураций Хука-Дживса. В ходе выполнения программы выводилась подробная информация не только о поведении интегрального показателя, но и величинах частных критериев эффективности и их оценках по шкале желательности в районе оптимума.

Проведенные расчеты и анализ топографии рельефов обобщенной функции желательности дали возможность установить йаиболее существенные факторы, влияющие на эффективность реализации процессов тепломассообмена в исследуемых аппаратах, определить оптимальные по Па-рето режимы работы теплообменников и оценить области их рационального использования. Результаты оптимизационных исследований работы перекрестно-точного утилизатора теплоты представлены на рис. 23-г24.

На основе анализа уравнений физико-математических моделей выявлены определяющие безразмерные комплексы, значения которых наряду с заданием краевых условий однозначно характеризуют процессы тепломас-сопереноса в пористых насадках исследуемых аппаратов. Данное обстоятельство позволило произвести обобщение данных экспериментальных и оптимизационных исследований в критериальном виде (рис. 23). Корректность этого преобразования подтверждена положительными результатами сопоставления данных численного, физического и натурного экспериментов.

■Рис. 21. Шкала желательности частных показате7; :лей эффективности для регенеративного осуши-; теля воздуха

я)

— |Л ' 1 К [/Г^Т ! \

__ Ми

Л -к - )« ~ЛА £ ф

/ 1

т N "

22

20 и». 18 -

1(5

О 0,71 -0,73

□ 0,69-0,71 В 0,67-0,69

□ 0,65-0,67

□ 0,63-0,65 И 0,61-0,63

□ 0,59-0,61

Рис. 23. Оптимальные режимы работы утилизатора теплоты и оценка области I его целесообразного ^1шенения_ _

Рис. 24. Рельефы обобщенного функ-1 щя! желательности в окрестности | огпимума для утилизаюратеплоты |

Методики и результаты проведенных исследований легли в основу проектирования и изготовления опытно-промышленных образцов тепЛооб-, менных аппаратов в НШТГИМЭСХ НЗ РФ, АОЗТ «Фартекстпроект», оа6 «Оренбургэнерго» РАО «ЕЭС России», на государственном предприятии «Тепличный>> (г. Пенза) и др. организациях. Автором документально подтверждены основные результаты внедрения разработок настоящей диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны физико-математические модели процессов тепломас-сопереноса в гигроскопических насадках теплообменников СКВ на основе нелинейных а-моделей, учитывающих их направленность и неравновесность при фазовых превращениях.

1.1. Предложена и обоснована физико-математическая модель нестационарного тепломассопереноса в регенеративном осушителе воздуха на основе теории химического потенциала. Разработан и реализован на ЭВМ метод расчета основных параметров тепломассообменных процессов в гигроскопической насадке осушителя. Методом численного анализа выявлен характер зависимостей принятых показателей эффективности процесса осушения воздуха от безразмерных режимных комплексов. Установлено, что в гигроскопической насадке осушителя реализуется режим «комбинированной волны», анализ закономерностей' которого позволил оценить диапазон изменения оптимальных режимных параметров 15н-30; (Г°-П,ч= 5н-40; ^нор! = (80-И20)°С.в зависимости от начальных параметров осушаемого воздуха). 1.2. Формализована общая физико-математическая модель тепломассопереноса в многоканальных пластинчатых аппаратах СКВ, реализующих утилизацию тепло ты вытяжного воздуха и обработку воздуха методом косвенного ,и регенеративного испарительного охлаждения, для различных схем движения обменивающихся потоков.

• На базе математической модели разработаны алгоритмы и программы расчета основных характеристик тепломассообменных процессов в косвенно-испарите ль пых и регенеративных охладителях воздуха при прямоточной, про'тивоточной, перекрестно-точной и комбинированной схемах движения обменивающихся потоков воздуха на ЭВМ. На основе численных экспериментов установлены зависимости показателей эффективности исследуемых аппаратов от безразмерных режимных комплексов' и границы их оптимального варьирования.

♦ Разработан и реализован на ЭВМ метод расчета основных параметров процессов тепломассообмена в пористой насадке протн-воточных и перекрестно-точных утилизаторах теплоты вытяжного воздуха. Установлены закономерности вероятного образования зон конденсации влаги на теплообменных поверхностях исследуемых теплоутнлизаторов, позволяющие оценить возможные пути эффективного улаЕлнвания теплоты вентиляционного воздуха и снижения опасности образования инея в каналах насадки на основе рационального использования теплоты фазового перехода

2. Установлены зоны различной интенсивности тепломассопереноса в каналах пористых насадок теплоутилизаторов и аппаратов косвенно-испарительного. охлаждения, в пределах которых характер теплообменных процессов в сопоставлении с массообменными существенно меняется, что в ряде случаев приводит к нарушению условий выполнения соотношения Льюиса. Предложен теоретический метод оценки числа Льюиса в данных аппаратах.

3. Разработан и реализован на ЭВМ метод определения коэффициента массообмена между влажным воздухом и гигроскопическим материалом, основанный на аппроксимации экспериментальных данных естественным сглаживающим сплайном и позволяющий реализовать эксперимент в пре-. делах различных форм связи влаги с коллоидным капиллярно-пористым телом. '.'.,-

4. Установлены зависимости ряда термодинамических констант (изотермической массоемкости материала насадки с'^и коэффициента массообмена р^; термоградиентного 8Р и температурного коэффициентов химических потенциалов влажного воздуха (ф./07)/, дифференциальной теплоты адсорбции <7-.- и др.), на основании которых получены аналитические и численные решения уравнения динамики адсорбции, позволившие прогнозировать характер взаимодействия влажного воздуха с материалом пористой насадки и выявить оптимальный состав ее гигроскопической пропитки.

5. Разработана и обоснована методика оптимизации процессов тепломассопереноса в аппаратах СКВ, основанная на- формализации компромиссной задачи методом стохастической квалиметрии, позволяющая установить рациональные режимы работы рассматриваемых типов теплообменников и области их рационального использования на стадии проектно-конструкторской разработки опытных и промышленных образцов. Разработан пакет программ для ЭВМ, предназначенный для обработки данных экспертного оценивания при вариантном проектировании теплообменных аппаратов с пористой насадкой СКВ.

6. Обоснованы параметры и условия оптимальной реализации процессов тепломассопереноса в исследованных теплообменных аппаратах СКВ. •

.7. На основании анализа результатов теоретических й экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в теплообменных аппаратах СКВ предложены и разработаны новые конструктивные решения ряда модификаций опытно-промышлейных образцов теплообменников, эффективно реализующих процессы утилизации теплоты воздуха, удаляемого из. помещений; адсорбционной осушит воздуха, обработки воздуха методом косвенного и регенеративного испарительного охлаждения.

>'

8.Разработаны инженерные методы расчета теплообменных аппаратов с пористой насадкой, ориентированные на применение современных ЭВМ. Достаточная общность, простота и удовлетворительная для практи-'ки точность этих методик обусловливает перспективность их применения.

Основные положения диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Аниснмов С.М. Исследование процессов сорбции влаги асбестовой бумагой // Вопросы отопления и вентиляции производственных зданий. - Л.,

1985,- С.79-86. , .

2. Анисимов С.М. Исследование тепломассообмена в перекрестно-точном воздухонагревателе-утилизаторе рекуперативного типа/Материалы 50-й междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых и студентов, ч. III, СПбГАСУ, СПб., 13-16 мая 1996 г., с.90-94.

3. Анисимов С.М. Методика оптимизации режимов работы аппаратов косвенно-испарительного типа / Тез. докл. 54 науч.-техн. конф. преподавателей СПбГАСУ, СПб., 1-5 февраля 1997 г., (In press).

4. Анисимов С.М. Новые результаты оптимизационных исследований тепломассообмена во вращающемся теплообменнике / Тез. докл. 55 науч.-техн. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов университета, СПбГАСУ, СПб., 2 февраля-4 февраля 1998 г., (In press). . ..*.*•

5. Айисимов С.М. Определение коэффициентов массопереноса во влажном воздухе D Исследование в области отопления и вентиляции.- Л.,

1986,-С.52-56. ^

6. Анисймов С.М. Оптимизация тепломассообмена в аппаратах косвенно-испарительного типа систем кондиционирования воздуха// Материалы VI съезда АВОК,- СПб., 25-29 мая 1998 г.- Ч.1.- С.218-223.

7. Анисимов С.М. Оптимизационные исследования тепломассообмена в рекуперативном утилизаторе теплоты / Тез. докл. ежегодных науч. чтений МАНЭБ «Белые ночи», СПб, 2-4 июня, 1998 г., с. 127-128.

8. Анисимов С.М. Оптимизация процессов тепломассообмена в утилизаторе теплоты / Материалы 52-й междунар. науч.-техн. кокф. молодых ученых и студентов, СПбГАСУ, СПб., 20-22 мая 1998 г., (In press).

9. Анисимов С.М. Результаты оптимизационных исследований тепломассообмена в аппаратах косвенно-испарительного типа / Материалы 51-й междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых и студентов, СПбГАСУ, СПб.,

' 15-18 апреля 1997 г., с.74-81.

10.Анисимов С.М. Теоретические исследования процессов тепло- и массообдоена в регенеративном косвенно-испарительном охладителе воздуха / Ленингр. инж.-строит. ин-т.- Л., ,1989. - 56 е., ил. - Рукопись деп. во ВНИ-ИНТПИ 12.11.1989., № 105081. . '

П.Анисимов С.М. Тепломассообмен в косвенно-испарительных охладителях воздуха / Тез. докл. 53 науч.-техн. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников и аспирантов университета, СПбГАСУ, СПб., 31января - 2 февраля 1996 г., с. 24. .

12.Анисимов С.М. Тепломассообмен ео вращающемся осушителе воздуха// Материалы междунар. конф. «Проблемы рационального потребления воздуха»/«Воздух'98», СПб., 9-11 июйя 1998 г., с. 150-151.

13.Анисимов С.М. Тепломассообмен в плоском канале // Совершенствование методов расчета систем теплоснабжения и вентиляции.- JL, 1982,-С.14-17.

14.Анпсимов С.М. Физико-математическое моделирование тепломассообмена во вращающемся осушителе воздуха// Проблемы и перспективы развития систем кондиционирования воздуха: Межвуз. сб. тр.- СПб.: СПбГАХПТ, 1997,-С.66-74.

15.Анисищов С.М., Алешечкнна Т.В. Теоретические исследования процессов тепломассообмена в воздухонагревателе-утилизаторе рекуперативного типа // Материалы 28 науч.-техн. конф.: Тез. докл.- Ч.2.- Госкомитет, Пенза: ГАСИ, 1995.-с. 153. \

16.Анисимов С.М., Алешечкнна Т.В., Васильев В.Ф. Физико-математическое моделирование тепломассопереноса в воздухонагревателе-утилизаторе рекуперативного типа // Энергосбережение в инженерных системах: Межвуз. темат. сб: тр.- Воронеж: Воронежская инж.-строит. академия, 1995 - С.31-37.

17.Анисимов С.М., Болотин С.А. Исследование, тепломассообмена в перекрестно-точном косвенно-испарительном охладителе воздуха// Вестник МАНЭБ. Защита воздушной среды.- 1996.- №2.- С.18-21.

' 18.Анисимов С.М., Болотнн С.А. Повышение эффективности процес-

сов тепломассообмейа в перекрестно-точных воздухоохладителях косвенно-испарительного типа // Теплоэнергоэффективные технологии.- 1996.- №1.-С.43-45.

19.Анисимов С.М.', Болотин С.А. Результаты оптимизационных исследований тепломассообмена во вращающемся осушителе воздуха// Достижения в теории и практике теплогазоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха и охраны воздушного бассейна,- СПб., 1997.- С.70-73. •

20.Аниснмов С.М., Грутько Н.М., Корягин В.А., Сулима JI.А. Исследование процессов тепло- и массообмена во вращающихся осушителях воздуха // Совершенствование систем отопления и вентиляции,- Л., 1985.- С.79-86.

21.Анисимов С.М., Грутько Н.М., Корягин В.А., Сулима JI.A. Эффективность досушивания провяленной травы принудительным вентилированием при использовании подогретого и осушенного воздуха//Технологические процессы и технические средства подготовки и использования кормов в условиях Нечерноземной зоны РСФСР.- Л.,1985.- С.3-9. - (Сб. науч. тр. / ВАСХНИЛ; Вып. 46).

22.Анисимов С.М., Ермошкин A.A. Новые экологически чистые воздухоохладители //.Особенности проектирования и строительства жилья для районов Западной Сибири,- Новокузнецк, 1990.- С.24-25.

23.Анисимов С.М., Ермошкин A.A. Теоретическое исследования воздухоохладителя косвенно-пспарительного типа с прямоточно-протиЕоточным дрижением вспомогательного потока / Ленингр. инж.-строит.

. ин-т,- Л., 1990,- 31с., ил,- Рукопись деп. во ВНИИНТПИ от 16.09.1991, № 10982.

24.Аннсимов С.М., Ермошкин A.A., Болотнн С.А. Методика оптимизационных исследований тепломассообмена в аппаратах косвенно-испарительного типа // Повышение эффективности систем тепло газоснабжения и вентиляции,-Л., 1991.-С.84-90. ' '

25.Анисимов С.М., Ермошкин A.A., Юрманов Б.Н. Исследование теп-ломассопереноса в аппаратах косвенно-испарительного типа // Актуальные проблемы строительства н архитектуры в районах Дальнего Востока- Иркутск, Благовещенск, 1990.-С.79-84.

26.Анисимов С.М., Филиппов К.В. Физико-математическое моделирование тепломассообмена в перекрестно-точном косвенно-испарительном охладителе воздуха // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр.-СПбГАСУ,- СПб., 1996,- С.51-

'58.

27.Анисимов С.М., Юрманов Б.Н., Грутьтсо Н.М, Выбор рациональных режимов работы вращающеюся осушителя воздуха // Экономия энергоресурсов в системах тепло газоснабжения и вентиляции,- Л., 1987,- С.7-1 б.

28.Болотин С.А., Аниснмов С.М., Ермошкин A.A. Оптимизационные исследования тепломассообмена в аппаратах косвенно-испарительного типа //Изв. вузов. Строительство и архитектура-1991,-№ 11,-С.106-110. '

29.Ермошкин A.A., Анисимов С.М., Болотин С.А. Оптимизационные исследования тепломассообмена в воздухоохладителе косвенно-испарительного типа//Повышение эффективности систем тепло газоснабжения и вентиляции.-Л., 1991.-С.11-18.

30.Корнеева Э.Г., Анисимов С.М. Исследование гигростатических свойств бумаги-основы шпона при кондиционировании бумажного полотна// Исследования в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха,- Л., 1988,- С.34-40. . ч

31.Корнеева Э.Г., Анисимов С.М. Совершенствование тепловлажност-ной обработки бумажного полотна-шпона // Реконструкция вентиляции, аспирации и пневмотранспорта промышленных цехов с целью повышения эффективности охраны окружающей среды: Тезисы докладов зональному семинару, Пенза, 27-28 апреля 1989 г. Пенза С.34.

32.КорнееЕа Э.Г., Анисийов С.М. Гигродннамнка процессов сорбции и десорбции влаги при кондиционировании бумаги-основы шпона // Совер-. шенствование систем теплогазосиабження и вентиляции.- Л., 1989.- С.20-26.

33.Юрманов Б.Н., Анисимов С.М. Пластинчатый воздуховоздушный осушитель // Гармонизация целостности и комфортности городской среды.-Ташкент, 1982.-С.377-378.

34.Юрманов Б.Н., АНисимов С.М.-, Ермошкин А.А. Экспериментальные исследования воздухоохладителя косвенно-испарительного типа // Исследования в области водоснабжения, канализации, вентиляции и кондиционирования воздуха. - Л., .1990 - С.74-81.

35.A.C. 964426 СССР. Пакеттеплообменного аппарата / Анисимов С.М. и др. Опубл. Б.И. №37,1982 г. - ' '

36.А.с.1458654 СССР. Покрытие для гигроскопического материала насадки регенеративного осушителя воздуха / Анисимов С.М. и др. Опубл. Б.И. №6,1989 г. •

37.А.С. 1725029 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / Анисимов С.М., Ермошкин А .'А., Юрманов Б.Н. Оцубл. Б.И. №13,1992 г. ' - '

38.А.с. 1758347 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / Анисимов С.М., Ермошкин А.А., Лавренков B.C., Юрманов Б.Н. Опубл. Б.И. №32,1992 г.

39.А.С. 1765628 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / Анисимов С.М., Ермошкин А.А., Болотин С.А. Опубл. Б.И. №36,1992 г. •

• 40.Anisimov S. Combined heat and mass transfer in plastic plate heat exchanger for energy recovery from exhaust air / Proceedings of 7th International Conference on Indoor Air Quality and Climate - Indoor Air'96, Nagoya (Japan), 1996, S. Yoshizawa et al (Eds.),Vol 3, pp. S41-S46 (4 volumes).

41.Anisimov S., Bolotin S. Combined heat and mass transfer in wet surface plastic plate heat exchanger used as an indirect evaporative cooler / Proceedings of the 5tli International Conference on Healthy Buildings Global Issues and Regional Solutions: Healthy Buildings/IAQ '97, Washington DC (USA), September 27-October 2,1997 (submitted).(in press). .

• Условные обозначения: ' .

с - удельная массовая теплоемкость, кДж/(кг-К); с'^ - удельная изотермическая массоемкость, отнесенная к разности химических потенциалов, кмоль/Дж; d - удельное влагосодержание воздуха, кг/кг (г/кг); Е - коэффициент эффективности тепловлажностной обработки воздуха; jF-площадь поверхности насадки, м2; Fnop - удельная площадь суммарной поверхности макро- и микропор, м2/кг; G - массовый расход воздуха, кг/с, кг/ч; G„ - массовый расход удаляемой влаги, кг/с, кг/ч; I -удельная энтальпия воздуха, кДж/кг; i - глубина насадки м; £а. - относительная длина участка адиабатического увлажнения; Mw - масса насадки, кг; я о - частота вращения ротора, с:1, ч'1; р - парциальное дав-

ление, Па; q° - теплота фазового превращения, Дж/кг; qA - удельная теплота сорбции, Дж/кг; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К); t -температура, °С; и - удельное влагосодержание материала, кг/кг, iv - скорость воздуха, м/с; IV- водяной эквивалент, Вт/К; Л' = XiL?, Г= Y/Ly - относительные прямоугольные координаты; а. - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); р - коэффициент массообмена, отнесенный к разности влагосо-держаний кг/(мг - с); р^.- коэффициент массообмена, отнесенный к разности химических потенциалов (кг-кмоль)/(Дж-м2 -с);. 5 - высота канала, м; су-терм оградиентный коэффициент влажного воздуха, К"1; tp - относительная влажность воздуха, %; ц-химический потенциал массопереноса, Дж/кмоль; (ф!dT)d температурный коэффициент химического потенциала влажного воздуха, Дж/(кмоль-К); а - смачиваемость поверхности пластин;т - время, с; 10-- время вращения ротора, с; т = х / х0 -'безразмерная временная координата, Безразмерные комплексы: Le = c¿ /ф- с„) - Nu / Num - критерий Льюиса; Fo = (a-F)!(G- сР) - модифицированный теплообменный критерий Фурье для потока воздуха; Nu = а-8/ Я - термический критерий Нуссельта; Ñum = fi-5 /1) -■ диффузионный критерий Нуссельта; W2/W\ = {Gi-Cpi)! (G-cpl) ~ отношение водяных эквивалентов потоков воздуха. Индексы: 1, 2,...« - номер канала (потока); с - относится к каналу дня прохода потока наружного воздуха; h • относится к каналу для прохода потока внутреннего воздуха; I - энталь-ггийный; ice — пней; т - массообменный; opt - оптимальный; р - изобарный; s, sal - насыщенный; i - по температуре; и7 - отнесенный к пленке жидкости; wet

— влажный; j,i - отнесенный к разности химических потенциалов; £ - отнесенный к полном}' поток}' воздуха; гр - граничный; к - конечный; м - по мокрому термометру; н - начальный; п - пар; полн. - отнесенный к полном}' потоку теплоты; потр. - отнесенный к основном}' потоку воздуха; р - по точке росы; явн.

- отнесенный к явном}' потоку теплоты. Принятые сокращали: СКВ - система кондиционирования воздуха; КЙО - косвенно-испарительный охладитель воздуха; ККТ-коллощное кагаилярно-пористое тело.

\

Подписано к печати 10. И. 98. Печ. офсетная. Бум. офс. №1. Формат.60 X 84 1/16. Усл. печ. 3,0. Тир. 100. Зак.'-Д ^ЯО

Санкт-Петербургский государственный аржтектурно-стрсительный университет 198005, Санкт-Петербург,'2-я Красноармейская ул., д 4 Ротапринт СПбГАСУ. 198005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д 5.

¡

Президиум B^K России

(решеаче от ! " . № ^jJ- ck-^j/Л

присуди/. OKTOPAÍ

<}¿s)CJ4>ux&#J¿¿'kX ____наук |

к ВАК. Реесщс: j|

санкт-петербургский государственный архитектурно-строительный университет

На правах рукописи

АНИСИМОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ТЕПЛОМАССООБМЕН В АППАРАТАХ С ПОРИСТОЙ НАСАДКОЙ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Специальность 05.23.03 - Теплогазоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор В.И. Полушкин; кандидат технических наук, профессор Г.Н. Северинец.

Санкт-Петербург

Оглавление

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................... 10

Глава 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Применение в технике вентиляции и кондиционирования воздуха адсорбционных осушителей воздуха......23

1.1.1. Анализ процесса осушения воздуха адсорбентами .... 23

1.1.2. Методика исследования гигроскопических свойств насадки 28

1.1.3. Выводы......................38

1.2. Применение косвенно-испарительного охлаждения для целей кондиционирования воздуха.......... 38

1.2.1. Схемы косвенно-испарительного охлаждения воздуха ... 38

1.2.1.1. Раздельные схемы косвенно-испарительного охлаждения воздуха......................40

1.2.1.2. Совмещенные схемы косвенно-испарительного охлаждения воздуха......................42

1.2.2. Обзор экспериментальных исследований косвенно-испарительных воздухоохладителей..........47

1.2.3. Анализ методов расчета и теоретических исследований косвенно-испарительных воздухоохладителей..... 52

1.2.4. Анализ путей повышения эффективности процессов тепломассообмена в аппаратах косвенно-испарительного типа....................... 63

1.2.5. Выводы......................69

1.3. Применение в технике вентиляции и кондиционирования воздуха рекуперативных утилизаторов . ........70

1.3.1. Выводы......................85

1.4. Задачи исследований................ 87

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В РЕГЕНЕРАТИВНОМ ОСУШИТЕЛЕ ВОЗДУХА

2.1. Исходные положения................90

2.2. Определение термодинамических коэффициентов влагопереноса влажного воздуха..........94

2.3. Математическая модель тепломассообмена в регенеративном осушителе воздуха..................98

2.4. Разработка методики расчета тепломассообмена в регенеративном осушителе воздуха на ЭВМ .... 103

2.5. Анализ результатов теоретических расчетов...... 108

2.6. Выводы......................123

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В КОСВЕННО-ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЯХ

3.1. Общие положения................. 125

3.2. Математическая модель тепломассообмена в косвенно-испарительных охладителях воздуха ......... 132

3.3. Математическая модель тепломассообмена в перекрестно-точном косвенно-испарительном охладителе воздуха ... 140

3.4. Анализ результатов теоретических расчетов...... 148

3.5. Выводы......................161

Глава 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ВЛАГИ В РЕКУПЕРАТИВНЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯХ-УТИЛИЗАТОРАХ С ПОРИСТОЙ НАСАДКОЙ 4.1. Общие положения................. 162

4.2. Математическая модель тепломассообмена в перекрестно-точном рекуперативном утилизаторе теплоты с пористой

насадкой......................163

4.3. Анализ результатов теоретических расчетов...... 168

4.4. Выводы......................185

Глава 5. Экспериментальные исследования процессов тепло- и

массопереноса в теплообменниках с пористой насадкой

5.1. Экспериментальные исследования тепломассообменных характеристик насадки регенеративного осушителя воздуха 186

5.1.1. Постановка задач экспериментальных исследования ... 186

5.1.2. Экспериментальные исследования гигростатики и гигродинамики насадки.............. 187

5.1.2.1. Результаты исследований гигростатики насадки.....188

5.1.2.2. Исследования гигродинамики насадки.........193

5.1.3. Уравнение динамики сорбции и десорбции влаги материалом насадки......................202

5.1.4. Экспериментальные исследования тепломассообмена в насадке регенеративного осушителя воздуха..... 205

5.1.4.1. Описание опытного стенда и методики проведения

эксперимента...................205

5.1.4.2 Методика оптимизационных экспериментальных исследований тепломассообмена в насадке регенеративного осушителя воздуха.................210

5.1.4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований вращающегося осушителя воздуха ....„.„„„..216

5.2. Результаты экспериментальных исследований тепло- и массообмена в косвенно-испарительном воздухоохладителе

и рекуперативном утилизаторе теплоты с пористой насадкой 230

5.3. Выводы......................231

Глава 6. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ С ПОРИСТОЙ НАСАДКОЙ

6.1. Методика оптимизационных исследований.......239

6.2. Методика определения значимостей дифференциальных критериев эффективности процессов тепломассопереноса

в теплообменных аппаратах с пористой насадкой .... 246

6.3. Анализ результатов оптимизационных расчетов эффективности процессов тепломассопереноса в теплообменных аппаратах

с пористой насадкой.................246

6.3.1. Выбор рациональных режимов работы регенеративного осушителя воздуха..................................246

6.3.2. Выбор рациональных режимов работы косвенно-испарительного охладителя воздуха..........253

6.3.3. Выбор рациональных режимов работы утилизатора теплоты вытяжного воздуха..................................260

6.4. Выводы......................264

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................266

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................270

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................314

Принятые обозначения

с - удельная массовая теплоемкость, кДж/(кг-К); с^ — удельная изотермическая массоемкость, отнесенная к разности

химических потенциалов, кмоль/Дж; 2) - диаметр, м; коэффициент диффузии, м /с; (I - удельное влагосодержание воздуха, кг/кг (г/кг); Е - коэффициент эффективности тепловлажностной обработки воздуха; /- площадь поперечного сечения, м2; F - площадь поверхности насадки, м2;

/^пор - удельная площадь суммарной поверхности макро- и микропор, м2/кг; <7 - массовый расход воздуха, кг/с, кг/ч;

- массовый расход удаляемой влаги, кг/с, кг/ч; I - удельная энтальпия воздуха, кДж/кг; к- коэффициент теплопередачи, Вт/(м К);

о п

Ь - объемный расход воздуха, м /с (м /ч);

Ьх- размер пластины в направлении оси X, м;

Ьу - размер пластины в направлении оси У, м;

Ь ад - относительная длина участка адиабатического увлажнения;

М ~ поток массы, кг/м ;

Му, - масса насадки, кг;

п0 - частота вращения ротора, с"1, ч"1;

р - парциальное давление, Па;

Р - плотность вероятности;

РБ ~ барометрическое давление водяного пара, Па;

- теплота фазового превращения, Дж/кг; qCQ - удельная теплота сорбции, Дж/кг;

фее ~ удельная теплота льдообразования, Дж/кг; 0.\ - тепловой поток, Вт;

Л - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К);

г — удельная теплота парообразования, Дж/кг;

/ - температура, °С;

Т- абсолютная температура, К;

и - удельное влагосодержание материала, кг/кг;

V- объем насадки, м3;

н> - скорость воздуха, м/с;

Ц7 - водяной эквивалент, Вт/К; X, У, прямоугольные координаты;

X = X / Ьх, У = У / Ьу - относительные прямоугольные координаты; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 -К);

(3 - коэффициент массообмена, отнесенный к разности влагосодержаний кг/(м -с);

- коэффициент массообмена, отнесенный к разности химических потенциалов (кг кмоль)/(Дж м -с); в - энергия связи капилляров пластин влажных каналов, кДж/кг; £р - массовая концентрация раствора, %; 5 - высота канала, м;

5р - термоградиентный коэффициент влажного воздуха, К"1;

ф - относительная влажность воздуха, %;

X - теплопроводность, Вт/(м К);

[I - химический потенциал массопереноса, Дж/кмоль;

(д \1/дТ)с1 - температурный коэффициент химического потенциала влажного

воздуха, Дж/(кмоль К); V - кинематическая вязкость, м2/с;

р - плотность, кг/м3;

а - смачиваемость поверхности пластин; х - время, с;

т0 - время вращения ротора, с; т = т / т0 - безразмерная временная координата; - угловой коэффициент прямой в координатах 1-й\ направление процесса в /-¿/-диаграмме, кДж/кг; £ - коэффициент сопротивления трению.

Безразмерные комплексы

Ье = а /((3- Ср) = ]Чи/1Чит - критерий Льюиса;

Ро = ср) ~ модифицированный теплообменный критерий Фурье

для потока воздуха; ¥о„ = (а-/7 х0)/(Мю-си>) - то же для насадки;

Ро[, = (Ри^пор ~~ модифицированный массообменный критерий

Фурье для потока воздуха; (Ро^ = (Р^П0рт0)/(м^) - то же для насадки;

N0 = а-5 / X - термический критерий Нуссельта; ТЧи« = |3-8 / 2) - диффузионный критерий Нуссельта; Ке = н>-5 /V - критерий Рейнольдса; Но = и>-х0 !Ь - критерий гомохронности; Рг = V /а - число Прандтля;

Ж = (Сгср%0 )I) - отношение водяных эквивалентов воздуха и

насадки;

IVг!= [в2 ср2)Iср1 ) - отношение водяных эквивалентов потоков

воздуха.

Индексы

I, 2,...п - номер канала (потока); с - относится к каналу для прохода потока наружного воздуха; h - относится к каналу для прохода потока внутреннего воздуха; / - энтальпийный; ice - иней; т — массообменный; opt -оптимальный; р - изобарный; s, sat - насыщенный; t - по температуре; w -отнесенный к пленке жидкости; wet - влажный; jll - отнесенный к разности химических потенциалов; £ - отнесенный к полному потоку воздуха; гр -граничный; к - конечный; м - по мокрому термометру; н - начальный; п -пар; полн - отнесенный к полному потоку теплоты; потр - отнесенный к основному потоку воздуха; р - по точке росы; скр - скрытый; экв -эквивалентный; явн - отнесенный к явному потоку теплоты.

Принятые сокращения

СКВ - система кондиционирования воздуха;

СПбГАСУ - Санкт-Петербургский государственный архитектурно-

строительный университет; КИО - косвенно-испарительный охладитель воздуха; ККТ - коллоидное капиллярно-пористое тело; РКВ - регенеративный косвенно-испарительный воздухоохладитель.

Введение

Для промышленно развитых стран характерно широкое осуществление во всех отраслях промышленности и сфере быта целенаправленной энергосберегающей политики, основанной на широком использовании нетрадиционных возобновляемых видов энергии и обусловленной увеличением энергопотребления и необходимостью поддержания экологической чистоты окружающей среды.

В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха (СКВ) как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50% всех затрат на эксплуатацию СКВ.

Настоящая работа посвящена исследованиям пластинчатых тепломассообменных аппаратов с пористой насадкой, позволяющих повысить эффективность реализации целого ряда процессов политропной обработки воздуха в СКВ: утилизации теплоты и холода воздуха, удаляемого из помещений; эффективного осуществления энергоемкого процесса осушки воздуха; обработки воздуха методом прямого, косвенного и регенеративного испарительного охлаждения.

Перспективность применения данных аппаратов обусловлена возможностями повышения экологических показателей и снижения энергопотребления за счет комбинирования различных схем движения обменивающихся потоков, рационального использования теплоты фазового перехода и возобновляемого энергоресурса термодинамической

неравновесности атмосферного воздуха . Однако реализация потенциально заложенной эффективности процессов тепломассопереноса и оптимальных режимов данных аппаратов требует детальных теоретических и экспериментальных исследований. В этом контексте разработка надежных математических моделей и методов оптимизации процессов тепломассопереноса в пластинчатых теплообменных аппаратах с пористой насадкой является актуальной научной проблемой.

Широкое применение существующих типов холодильных машин в установках кондиционирования воздуха, использующих традиционные виды энергии, связано со значительными энергетическими затратами и представляет определенную экологическую опасность как дополнительный источник теплового и химического загрязнений окружающей среды. В этой связи актуальной является задача снижения энергоемкости современных производителей холода а также повышение их экологических показателей за счет частичной замены холодильных машин аппаратами, использующими в качестве возобновляемого энергоресурса термодинамическую неравновесность атмосферного воздуха.

К системам, использующим эту энергию для производства холода, относятся установки прямого и косвенно-испарительного охлаждения воздуха (КИО). Низкая стоимость и малое энергопотребление, простота в обслуживании и надежность, высокие экологические показатели являются основными достоинствами установок испарительного охлаждения воздуха. Поэтому в последнее время большое внимание уделяют разработкам низкоэнергопо-требляющих устройств испарительного охлаждения СКВ и установлению для них условий эффективной реализации процессов тепломассопереноса.

Решение указанной задачи возможно путем проведения обширных теоретических и экспериментальных исследований совместных процессов

тепло- и массообмена. Необходимо разработать методики расчета режимов работы этих устройств с учетом их геометрических размеров и температур-но-влажностиых параметров окружающего воздуха с целью их рационального проектирования.

На протяжении ряда лет автором проводились подобные исследования, результатом которых явилась разработка новых теплообменник аппаратов, теплотехническая эффективность которых обеспечивалась за счет научно-обоснованного комбинирования различных схем движения обменивающихся потоков, частичного увлажнения стенок каналов насадки и рационального использования термодинамической неравновесности окружающего воздуха.

Считается, что наиболее сложной и энергоемкой частью систем технологического кондиционирования воздуха являются блоки осушения, в качестве которых во многих случаях успешно используются адсорбционные установки.

В настоящее время известны и широко применяются регенеративные осушители воздуха. Высокая эффективность этих установок связана с использованием специальных гигроскопических насадок, а также выбором оптимальных конструктивных и режимных параметров их работы. К сожалению, отечественная промышленность практически не выпускает адсорбционные осушители для СКВ. Основной причиной, препятствующей широкому внедрению в отечественную промышленную практику этих установок, является наличие у зарубежных фирм приоритета на современную технологию получения сорбирующих поверхностей, недостаточная изученность процессов регенерации и их высокая энергоемкость. Данное обстоятельство, наряду с крайне ограниченным объемом имеющихся в литературе научно обоснованных, а иногда противоречивых, рекомендаций по выбору ре-

жимов работы установок, предопределяет необходимость проведения комплексных исследований процессов тепломассообмена между влажным воздухом и сорбирующей насадкой.

В связи с этим теоретические исследования, направленные на повышение эффективности тепломассообмена в регенеративных осушителях воздуха, являются актуальной задачей развития вентиляционной техники.

Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из действенных методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирования воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения.

Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок СКВ указывают на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров, эффективность применения которых в значительной степени зависит от условий работы систем вентиляции и кондиционирования, взаимного расположения приточных и вытяжных центров, эксплуатационных возможностей и экономических соображений.

Решающим моментом при выборе конкретного теплоутилизационного оборудования является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха. Обеспечение этих режимов, как правило, связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха.

Одним из возможных решений этой проблемы является создание гигроскопических насадок теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах наружного воздуха. Рациональное использование теплоты конденсации в рекуператорах с пористой насадкой позволяет существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин н