Анализ возможностей испарительного охлаждения в автономных и комбинированных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ возможностей испарительного охлаждения в автономных и комбинированных системах

А.В. Дорошенко, М.А. Глауберман

Аннотация

УДК 536.248.2:532.529.5

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В АВТОНОМНЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ

А.В. Дорошенко (Одесская государственная академия холода),

Rezumat

ANALIZA POSIBILITГЮILOR DE RГCIRE EVAPORATIVE ОN SISTEMELE AUTONOME ЄI COMBINATE

A.V. Doroєenco (Academia de Stat de Frig din Odesa),

M.A. Glauberman (Centrul єtiinюific de оnvгюгmвnt єi de producюie al Universitгюii Naюionale de Stat I.I. Mecinicov).

Оn lucrare sunt prezentate posibilitгюile de utilizare a rгcirii evaporative, efectuate, cвt оn variantг autonomг, atвt єi оn sistemele combinate, de exemplu оn componenюa rгcitoarelor de tip evaporativ - uscare, unde uscare prealabilг a aerului asigurг eficienюa оnaltг a rгcirii evaporative urmгtoare єi adвncime a rгcirii.

Cuvinte-cheie: rгcirea evaporativг, rгcitor.

Abstract

ANALYSIS OF POSSIBILITIES OF EVAPORATIVE COOLING IN AUTONOMOUS AND COMBINED SYSTEMS

A.V. Doroshenko (State Academy of Refrigeration of Odessa),

M.A. Glauberman (Educational, industrial and scientific centre at the Odessa State University I.I. Mechnicov).

It is described possibility of the use of the evaporative cooling as in autonomous version of execution, so in combined systems, for example, as the component of desiccant-evaporative coolers, where preliminary dehumidification of the air assures high efficiency of subsequent evaporative cooling and the depth of the cooling.

Keywords: evaporative cooling, coolers.

Введение

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

I. Испарительные охладители непрямого типа

Испарительные охладители непрямого типа НИО (рис. 1, схемы охладителей А-Г) могут быть раздельного и совмещенного типов [1-2]. В первом случае охладитель включает градирню и теплообменник, в котором охлаждается воздушный поток. Во втором, получившем наибольшее распространение в последние годы [2], воздушный поток делится на две части. Вспомогательный поток воздуха поступает в "мокрую" часть охладителя, где контактирует с водяной пленкой (вода рециркулирует через аппарат) и обеспечивает испарительное охлаждение воды, которая, в свою очередь, охлаждает бесконтактно, через разделяющую стенку, основной воздушный поток.

Этот поток воздуха охлаждается при неизменном влагосодержании, что обеспечивает преимущества при создании на основе НИО систем кондиционирования воздуха СКВ. Вспомогательный воздушный поток выносит все тепло из аппарата в "связанном" виде, его температура также понижается и влагосодержание возрастает. Температура воды в цикле сохраняет неизменное значение и оказывается на несколько градусов выше температуры мокрого термометра поступающего в НИО наружного воздуха. Эта температура также зависит от соотношения воздушных потоков, основного и вспомогательного, в НИО и является пределом охлаждения обоих воздушных потоков в аппарате.

На рис. 1А приведена принципиальная схема НИО, где АГ и АВ - процессы охлаждения основного и вспомогательного воздушных потоков. Поскольку вспомогательный поток покидает аппарат достаточно холодным, он может использоваться для охлаждения полного воздушного потока, поступающего в НИО (рис. 1В). Здесь не рассматриваются различные схемы с рециркуляцией воздуха, покидающего кондиционируемое помещение.

На рис. 1Б приведена регенеративная схема НИО/Р с разделением полного воздушного потока на выходе из сухой части охладителя. Она обеспечивает более глубокое охлаждение воздуха, поскольку здесь процесс испарительного охлаждения воды в "мокрой" части аппарата ориентирован на температуру мокрого термометра воздуха, прошедшего сухое охлаждение в "сухой" части охладителя. Но эта схема и более энергозатратна.

Поскольку основной воздушный поток имеет более низкое значение температуры мокрого термометра, он может эффективно использоваться для получения холодной воды (рис. 1Г). При использовании многоступенчатого охладителя в составе нескольких ступеней НИО, пределом охлаждения воды в такой схеме будет температура точки росы наружного воздуха.

II. Солнечные осушительно-испарительные системы

Эффективность испарительного охлаждения ограничена климатическими условиями. Оно достаточно эффективно только в условиях сухого и жаркого климата. Предварительное осушение воздуха снимает климатические ограничения эффективного использования процесса испарительного охлаждения. Одним из таких решений являются солнечные сорбционные системы, вызывающие высокий интерес исследователей [1,2,5,6,9].

Используются как адсорбционные, так и абсорбционные системы. Выполненный авторами предварительный анализ позволил выделить в качестве перспективных, с точки зрения возможности "солнечного" обеспечения их работоспособности, абсорбционные системы [1-2].

Абсорбционные системы, основанные на осушительно-испарительном охлаждении и термовлажностной обработке воздуха, являются одной из немногих альтернатив парокомпрессионной технике и обеспечивают возможность решения задач осушения воздуха, охлаждения сред и термовлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования (ССКВ). Работоспособность таких систем может обеспечиваться солнечной энергией [2]. Затраты энергии в таких системах ниже, а экологическая чистота выше, чем в традиционных системах, основанных на использовании парокомпрессионной техники. Системы ССКВ, основанные на открытом абсорбционном цикле, могут использовать как прямую (непосредственную) рис. 1Д, так и непрямую регенерацию абсорбента (рис. 1Е).

В первом типе ССКВ (рис. 1Д) десорбер отсутствует, и вместо него используется солнечный коллектор-регенератор СК/Р (4), в котором одновременно с подводом солнечной энергии происходит и восстановление абсорбента [2]. Это новый тип плоского газо-жидкостного СК с гравитационным течением жидкостной пленки. Такая ССГВ включает меньшее число тепломасообменных аппаратов и характеризуется меньшими затратами энергии на движение теплоносителей. В работе Ertas, E.E. Anderson, I. Kiris [7] представлена гибридная осушительно-охладительная система с использованием солнечного коллектора-регенератора прямого типа (Open Solar Regenerator). Представлен также двухступенчатый осушитель воздуха с использованием СК/Р. Схема в работе C.S.P. Peng, J.R. Howell [8]близка к описанной выше, но для солнечного регенератора используются два возможных решения: со свободной конвекцией воздушного потока в СК/Р и вариант коллектора с принудительной циркуляцией воздушного потока, то есть вентилируемого СК/Р. Несомненно, что последнее решение имеет более стабильные характеристики регенерации, но и большие энергозатраты.

Второй тип ССКВ (рис. 1Е) включает, в составе осушительного блока, абсорбер-осушитель 1 и десорбер-регенератор 2, и, как правило, для охлаждения абсорбера используется градирня, а для подвода тепла к десорберу - солнечная система с плоскими солнечными коллекторами СК (5) [2].

В состав сорбционных систем могут входить как НИО, так и НИО/Р, а также их многоступенчатые, либо комбинированные варианты.

III. Анализ возможностей испарительных и осушительно-испарительных охладителей

Анализ возможностей испарительных охладителей (рис. 2-3) и осушительно-испарительных охладителей (рис. 4) выполнен на основе ранее полученных авторами экспериментальных данных [1-2]. При этом эффективность НИО была принята Е_О = Е_В = (t¹ - t²)/(t¹ - t_М) = 0.65, при эффективности теплообменников Е_Т/О = 0.8. Температура воды, рециркулирующей через "мокрую" часть НИО принята

t*_Ж = t¹_М + 2,5^оС.

На самом деле величина Е_В несколько выше, чем Е_О, а реальное значение величины t*_Ж зависит от соотношения расхода воздушных потоков в "сухой" и "мокрой" частях НИО,

l = G_О/ G_В.

В расчетах принято значение l = G_О/ G_В = 1,0 [1-2]. Расчеты выполнены для условий: t¹ = 40,6^оС, х ¹ = 8,95г/кг.

Поскольку возможности испарительных охладителей рассматривались применительно к СКВ, начальное влагосодержание воздуха выбрано в диапазоне х_Г < 12,5г/кг и на диаграмме показана область комфортных параметров воздуха, обусловленная сочетанием температуры и относительной влажности воздуха в кондиционируемом помещении (КЗ) [1-2]. При х_Г > 12,5г/кг испарительное охлаждение не может обеспечить параметров комфортности.

Все тепломасообменные аппараты, входящие в состав рассматриваемых охладителей, пленочного типа с насадкой регулярной структуры, образованной многослойными многоканальными структурами из полимерных материалов [2]. Это касается испарительных охладителей воздуха и воды, абсорберов, десорберов, и солнечных коллекторов.

На рис. 2 на Н/Х диаграмме влажного воздуха показано протекание процессов для четырех вариантов НИО. Здесь показаны: процесс охлаждения основного воздушного потока (t¹ - t²), протекающий при неизменном влагосодержании воздуха; процесс изменения состояния вспомогательного воздушного потока (t¹ - t³), имеющий, как показано в работе [4]криволинейный характер; процессы в теплообменнике (2) для вариантов охладителей Б и Г; а также условно показаны соответствующие температуры жидкости, рециркулирующей через охладитель (t*_Ж).

Видно, что использование в составе НИО теплообменника (2) существенно улучшает характеристики (с учетом дополнительных энергозатрат на движение потоков в теплообменнике): температура охлажденного воздуха снижается от 29,6^оС до 23,8⁰С (варианты А и Б) и от 24^оС до 17,5^оС (варианты В и Г).

Переход от схемы НИО к НИО/Р позволяет снизить температуру охлажденного воздуха от 29,6^оС до 24,5^оС (варианты А и В). Для схем на основе НИО/Р особо перспективно использование теплообменника (2), поскольку вспомогательный поток покидает охладитель при очень низкой температуре. осушительный испарительный охладитель воздух

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отметим особо, что для схемы Г температура охлажденного воздуха составляет 17,5⁰С, при температуре мокрого термометра наружного воздуха 18,5⁰С, то есть для НИО/Р пределом охлаждения является точка росы наружного воздуха, что существенно расширяет возможности практического использования испарительных охладителей.

На рис. 3 на Н/Х диаграмме влажного воздуха показаны возможности НИО с учетом начального влагосодержания воздуха. Расчеты выполнены для условий: t¹ = 35⁰С, х ¹ = 16г/кг (А), х ¹ = 9г/кг (Б) и х ¹ = 4г/кг (В).

Видно, что при х_Г > 12,5г/кг (точка А) испарительное охлаждение вообще не может обеспечить параметров комфортности воздуха в помещении. При х_Г < 12,5г/кг использование НИО вполне обеспечивает выход в зону комфортности (точка Б, температура основного потока t^2Б).

Когда величина х_Г достаточно мала (точка В) задача решается как с помощью НИО (t^2Д), так и с помощью испарительного охладителя прямого типа (ПИО, температура t^2В) и, конечно, использование ПИО предпочтительно. Особый интерес представляет здесь вариант комбинированного охладителя на основе НИО/Р и градирни на основном воздушном потоке, покидающем НИО (схема охладителя по варианту Г). Поскольку потенциал поглощения влаги основным воздушным потоком очень высок (пределы естественного охлаждения составляют значения t¹_М = 6,0^оС и t¹_Р = 0^оС), в градирне может быть достигнута достаточно низкая температура (в рассматриваемом примере t²_ж = 8,0^оС). Такой охладитель может решать некоторые задачи холодильной техники, например получение захоложенной воды, не прибегая к парокомпрессионному охлаждению.

На рис. 4 для диапазона влагосодержаний наружного воздуха х_Г > 12,5г/кг (точка А) используется осушительно-испарительный охладитель с непрямой регенерацией абсорбента. Процесс АВ - это осушение воздуха в абсорбере, охлаждаемом водой из градирни (в процессе абсорбции выделяется тепло). Это позволяет перевести х_Г в диапазон значений х_Г < 12,5г/кг и эффективно использовать испарительное охлаждение как в варианте ПИО (процесс Б-Е), так и в варианте НИО (процесс Б-Б*-Г). А-Д - изменение состояния воздуха в десорбере - регенераторе абсорбента. Тепло регенерации может обеспечиваться плоскими солнечными коллекторами.

Осушительно-испарительный охладитель ССГВ обеспечивает получение комфортных параметров воздуха для любых климатических регионов мира только с помощью испарительного охлаждения, не прибегая к парокомпрессионному охлаждению. Это позволяет снизить энергозатраты на 25-35 % и существенно повысить экологическую чистоту новых решений [10].

Выводы

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

2. Особый интерес представляет вариант комбинированного охладителя на основе НИО/Р и градирни на основном воздушном потоке, покидающем НИО; поскольку потенциал поглощения влаги основным воздушным потоком очень высок (t¹_М = 6,0⁰С и t¹_Р = 0⁰С), в градирне может быть достигнута достаточно низкая температура воды и такой охладитель может решать ряд задач холодильной техники, например получение захоложенной воды, не прибегая к парокомпрессионному охлаждению.

3. Осушительно-испарительный охладитель ССГВ обеспечивает получение комфортных параметров воздуха для любых климатических регионов мира с помощью испарительного охлаждения, не прибегая к парокомпрессионному охлаждению, что позволяет снизить энергозатраты на 25-35 % и существенно повысить экологическую чистоту новых решений.

Литература

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

2. Горин А.Н., Дорошенко А.В., Глауберман М.А. Солнечная энергетика. (Теория, разработка, практика) - Донецк: Норд-Пресс, 2008. 374 с.

3. Maisotsenko V., Lelland Gillan, M. 2003, The Maisotsenko Cycle for Air Desiccant Cooling21^h International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D.C.

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

5. Grossman G. 2001, Solar-powered systems for cooling, dehumidification and air-conditioning. Faculty of Mechanical Engineering, Technion - Israel Institute of Technology.

6. Gandhidasan, P. Performance analysis of an open liquid desiccant cooling system using solar energy for regeneration. Int. J. Refrig., vol. 17, no. 7, 1994. - P. 475-480.

7. Ertas, E.E. Anderson, I. Kiris. Solar Energy. Vol. 49, No. 3, 1992. pp. 205-212.

8. C.S.P. Peng, J.R. Howell. J. of Solar Energy Eng. Vol. 106 May 1984. pp. 133-141.

9. Дорошенко А., Горин А. Альтернативные системы кондиционирования воздуха (солнечные холодильные и кондиционирующие системы на основе открытого абсорбционного цикла) // АВОК (Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика). - 2005. - №1. - С. 60-64.

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

Размещено на Allbest.ru