Транспортная комбинированная испарительно-компрессионная система кондиционирования воздуха

УДК 629. 454. 22. 048. 3

Транспортная комбинированная испарительно-компрессионная система кондиционирования воздуха

Емельянов А.Л., Антипов А.С., Буравой С.Е., Платунов Е.С.

На железнодорожном транспорте в настоящее время в основном используются компрессионные системы кондиционирования воздуха (СКВ), с парокомпрессионной холодильной машиной (ПКХМ). В каждом пассажирском вагоне, оборудованном СКВ, размещается автономный кондиционер холодопроизводительностью 20 ^ 28 кВт. Кондиционер в процессе работы потребляет электроэнергию мощностью до 20 кВт, вентилируя вагон охлажденным или нагретым потоком воздуха с расходом (2...4)-103 м3/час.

ПКХМ обладают высокими эксплуатационными качествами, универсальны, и получили массовое распространение в СКВ самого различного назначения. Их конструкции достигли высокого совершенства. Независимо от этого необходимо отметить, что в транспортных кондиционерах ПКХМ используется значительное количество мер для энергосбережения. Однако действительный холодильный коэффициент (с учетом мощности вентиляторных установок) составляет ~ 1,4 ^ 1,5, тогда как у идеальных ПКХМ в соответствующем температурном диапазоне он может достигать кх = 10. Это означает, что энергопотребление СКВ с ПКХМ в перспективе может быть снижено в несколько раз.

Термодинамический анализ промышленных компрессионных кондиционеров показывает, что основными источниками необратимых энергетических потерь в них являются теплообменные аппараты. К сожалению, улучшение их характеристик сопряжено с большими техническими затруднениями. Поэтому разработчиками СКВ на протяжении многих лет предпринимаются попытки найти альтернативные способы охлаждения воздуха. Некоторые из них хорошо известны и даже отличаются простотой реализации, особенно способ охлаждения воздуха в процессе его увлажнения. Очень важно, что этот способ не относится к категории энергозатратных. К сожалению, чрезмерное увлажнение воздуха нарушает его комфортность для человека, что резко снижает границы применения испарительных СКВ. Ниже будут показаны пути внедрения испарительного охлаждения в современные СКВ, позволяющие заметно снижать их суммарное энергопотребление, обеспечивая при этом комфортность воздуха в транспортном средстве.

Хорошо известно, что атмосферный воздух в теплые и жаркие дни обычно при низкой относительной влажности обладает способностью впитывать в себя дополнительную влагу, не нуждаясь во внешних источниках энергии. Процесс увлажнения при этом всегда сопровождается заметным снижением температуры воздуха, так как на испарение влаги

частично расходуется его внутренняя энергия. В природе охлаждение воздуха чаще всего происходит в адиабатических (изоэнтропийных) условиях, например, после кратковременных и особенно грозовых дождей. В технике кондиционирования широко используется охлаждение воздуха в условиях изоэнтальпийного увлажнения. На его закономерностях, в частности, основывается психрометрический метод измерения влажности воздуха.

Для количественной оценки снижения температуры увлажняемого воздуха в реальных условиях пользуются широко известной 1-ё-диаграммой влажного воздуха. Анализ ее показывает, что за счет увлажнения температуру воздуха можно снижать на 10...12 К. К сожалению, прямое испарительное охлаждение, как уже отмечалось, не нашло широкого применения в системах кондиционирования, так как всегда ограничивается нежелательным увеличением относительной влажности внутри помещения. В этом отношении кондиционеры с ПКХМ обладают очевидным преимуществом, так как способны не только охлаждать воздух, но и эффективно удалять из помещения лишнюю влагу. Однако они значительно (на порядок и более) уступают испарительному охлаждению по своему энергопотреблению. В связи с этим представляется оправданным сравнить эксплуатационные характеристики испарительной и комбинированной СКВ. Все эти три системы для большей наглядности будут рассмотрены на примере СКВ пассажирского купейного вагона.

Сначала обратим внимание на особенности блок-схемы типовой СКВ [1, 2].. Она приведена на рис. 1.

В-1

Основными элементами СКВ с ПКХМ являются компрессор КМ с электродвигателем Дв1, испаритель И, конденсатор КД, вентиляторы В-1, В-2 и кондиционируемый объект (вагон с пассажирами). Рабочее вещество хладагент, участвующее в обратном термодинамическом цикле, принудительно переносит тепловой поток от испарителя к конденсатору. Вентилятор В-2 забирает из среды рабочий воздушный поток и подает его на холодную поверхность испарителя. В нем воздушный поток охлаждается до температуры (12.16) °С, частично теряя свою внутреннюю энергию, и поступает в вагон для компенсации тепло- и влагоизбытков. Вентилятор В-1 забирает из среды вспомогательный поток воздуха и подает его на поверхность нагретого до (50.70) °С конденсатора. В нем воздушный поток

нагревается поступающим к конденсатору тепловым потоком и выбрасывается в среду. Элетродвигатель Дв1 обеспечивает непрерывную работу ПКХМ, потребляя при этом большое количество электроэнергии. Ее величина определяется холодопроизводительностью кондиционера и во многом зависит от холодильного коэффициента кондиционера. А он, как уже отмечалось, обычно составляет 1,4...1,5. Такое низкое значение действительного холодильного коэффициента обусловлено большими необратимыми тепловыми потерями во всех звеньях ПКХМ, прежде всего в теплообменных аппаратах, в вентиляторах и воздуховодах системы.

На рис.2. приведена блок-схема СКВ косвенного испарительного охлаждения наружного воздуха, вентилирующего объект. Простейшей испарительной СКВ может быть система увлажнения наружного воздушного потока, который непосредственно поступает в вагон. Внешние энергетические затраты такой системы охлаждения минимальны, так как сводятся к энергопотреблению вентилятора. Однако такая простейшая система, как уже отмечалось, практически бесполезна, так как положительный эффект от снижения температуры в ней практически сводится к нулю из-за того, что увлажненный таким образом воздух будет содержать насыщенный пар и создаст внутри кондиционируемого объекта эффект "парилки

Рис. 2

Основными элементами системы косвенного испарительного охлаждения являются увлажнитель У и рекуперативный воздушный теплообменник РТ. В схеме имеются два вентилятора, В-1 и В-2. Вентилятор В-2 забирает из среды вспомогательный наружный воздушный поток и принудительно прогоняет его через рабочую зону увлажнителя. В нем поток увлажняется, охлаждаясь до температуры "мокрого термометра" и поступает в рекуперативный теплообменник. Вентилятор В-1 забирает из среды основной поток наружного воздуха и прогоняет его через теплообменник-рекуператор. Потоки движутся в противотоке, активно участвуя в теплопередаче через разделяющую их стенку. Вспомогательный увлажненный воздушный поток выбрасывается в среду практически с температурой среды, а основной поток охлаждаемый практически до температуры "мокрого термометра", сохраняя исходное влагосодержание,

поступает в вагон. Заметим, что эффективность современных рекуперативных теплообменников достигает значений 80.90 %.

Кондиционер косвенно-испарительного типа обладает гораздо более широкими возможностями. Его энергопотребление определяется только используемыми вентиляторами и при холодопроизводительности в 20 кВт обычно не превышает 3 ^ 5 кВт. Возможности такого кондиционера были проверены нами на макете, предназначенном для кондиционирования кабины машиниста электровоза. Аналогичный кондиционер, предназначенный для обслуживания пассажирского вагона, был разработан фирмой "ЭЛСОКС [3]. К сожалению, при эксплуатации таких испарительных СКВ следует принимать определенные меры, препятствующие проникновению в вагон запахов, присущих застойной воде. Они могут возникать только после длительных перерывов в работе СКВ.

Анализ технических характеристик СКВ косвенно-испарительного типа показал, что они могут успешно работать в пассажирских составах, которые эксплуатируются в районах с низкой средней относительной влажностью. Значительно более эффективными оказываются все же комбинированные СКВ, содержащие в своем составе одновременно испарительный и компрессионный охлаждающие блоки. По предварительным оценкам именно они позволят объединить положительные качества испарительных и компрессионных кондиционеров.

Возможны различные схемные решения совместного использования перечисленных способов охлаждения воздуха. Рассмотрим здесь один из наиболее перспективных, на наш взгляд, вариантов комбинированной СКВ. Его блок-схема представлена на рис.3.

Рис. 3

Представленная схема отличается от типовой СКВ с ПКХМ (см. рис. 1) в основном двумя дополнительными узлами - увлажнителем У и

рекуперативным теплообменником РТ. Указанные узлы образуют в СКВ первый контур охлаждения наружного воздуха.

Вентилятор В-2 забирает из среды вспомогательный воздушный поток Gв и направляет его в увлажнитель. В нем этот воздушный поток увлажняется до насыщения и охлаждается до температуры " мокрого термометра". Затем охлажденный поток с помощью регулируемого клапана (Кл) делится на два потока, Gвp и Gвк. Один из потоков ^вр) проходит через рекуператор (РТ) и выбрасывается в среду, а второй поток ^вк) используется для охлаждения конденсатора (КД), после чего также выбрасывается в среду.

Вентилятор В-1 забирает из среды основной (рабочий) воздушный поток Gp, который проходит через рекуператор (РТ) в противотоке с охлажденным вспомогательным потоком Gвp. В рекуператоре поток Gp охлаждается до температуры " мокрого термометра", сохранив исходное влагосодержание, и направляется для последующего охлаждения в испаритель ПКХМ. После этого поток Gp поступает в кондиционируемый объект (вагон) с требуемой температурой. Содержавшаяся в атмосферном воздухе избыточная влага конденсируется в испарителе и при необходимости может использоваться в увлажнителе.

ПКХМ в рассмотренной схеме комбинированной СКВ обеспечивает ей необходимую универсальность, так как после испарителя в вагон поступает воздух с оптимальными параметрами по температуре и влажности. Блок испарительного охлаждения помогает существенно снизить суммарное энергопотребление СКВ, особенно в жаркие дни, так как вырабатывает значительную часть суммарно производимого кондиционером СКВ "холода". Более того, при определенных условиях в рассмотренном варианте появляется возможность создавать комфортный тепло- и влажностный режим вагона, полностью отключая компрессионный блок СКВ.

К недостаткам комбинированной СКВ, можно отнести появление в ней нескольких дополнительных узлов. Они увеличивают габариты системы. Однако наличие этих узлов позволяет уменьшить габариты ПКХМ, так как с нее снимается значительная часть суммарно генерируемого "холода". В современной технике уже широко используются разнообразные конструкции увлажнителей и рекуперативных теплообменников, поэтому имеется возможность их оптимального выбора.

Можно, конечно, отметить еще один недостаток системы. Увлажнитель потребляет воду. Но частично источником воды может служить ПКХМ, так как в ней всегда образуется конденсат, выделяющийся из охлаждаемого воздуха. Поэтому дополнительный расход воды может оказаться незначительным.

Проведем сравнительный термодинамический анализ комбинированной СКВ. Основные термодинамические параметры типовой СКВ пассажирского вагона хорошо известны и уже упоминались выше. В жаркие дни такой кондиционер способен обеспечить холодопроизводительность до 28 кВт, используя в при этом до 75 % рециркуляционного воздуха и потребляя электроэнергию до 20 кВт.

СКВ косвенно испарительного охлаждения в жаркие дни удовлетворительно работает только при влажности не выше 40 %, потребляя при этом электроэнергию не более 3.5 кВт. Поэтому представляется интересным сравнить основные эксплуатационные показатели комбинированной СКВ с типовой.

Комбинированная СКВ не нуждается в рециркуляционном воздухе, поэтому при обслуживании вагона расход охлаждаемого воздуха можно снижать до 800 м /час, если его температура на входе в вагон будет составлять 12 °С. Это вполне допустимо, если холодный воздух удается подавать в вагон через воздухораспределители с быстрым снижением градиента температуры, не оказывая прямого воздействия на пассажиров.

Для дальнейшего анализа обратимся к конкретному примеру. Примем, что наружный воздух имеет температуру = 40 °С, влагосодержание = 13,7 г/кг, относительную влажность фн = 30 % и удельную энтальпию ¿н = 75 кДж/кг. В купейных вагонах при выбранной температуре наружного воздуха комфортной температурой принято считать ^ = 26 °С. Чтобы ее поддерживать, центральный кондиционер должен удалять из вагона тепловой поток мощностью до 8 кВт. Для этого кондиционер обязан непрерывно нагнетать в вагон свежий воздух, расход Gх которого будет зависеть от его температуры Примем, что температура на входе в вагон поддерживается равной ^ = 12 °С. При такой температуре воздух имеет плотность р @ 1,2 кг/м , влагосодержание = 8 г/кг и удельную энтальпию ¿х = 31 кДж/кг. Удельная энтальпия воздуха в вагоне при температуре 1в = 26 °С и влагосодержании @ 8 г/кг составляет 1в = 50 кДж/кг, поэтому СКВ должна обеспечивать расход воздуха не менее Gх @ 0,4 м/с = 1440 м /час. Следовательно, при относительной влажности наружного воздуха фн = 30 %, согласно ¿-^-диаграмме, типовой кондиционер обязан обеспечивать холодопроизводительность Qх = 21,2 кВт, потребляя электроэнергию не менее 15 кВт.

Комбинированная СКВ обязана иметь ту же самую холодопроизводительность = 21,2 кВт). Однако часть ее будет

генерировать рекуперативный теплообменник РТ. Согласно 1-й-диаграмме, в РТ наружный воздух способен охладиться до температуры "мокрого термометра" которая в рассматриваемом случае близка к 25 °С. Примем, что в испаритель кондиционера охлаждаемый воздух попадает с температурой 27 °С, сохранив исходное влагосодержание = 13,7 г/кг, т. е. имея относительную влажность фт= 63 % и удельную энтальпию ¿т = 63 кДж/кг. Следовательно, искомая холодопроизводительность теплообменника РТ составляет Qpт= 5,8 кВт, а недостающую часть суммарной холодопроизводительности должен обеспечить компрессионный кондиционер. Имеем Qo = - Qpт) = 15,4 кВт.

Чтобы оценить энергопотребление компрессионного кондиционера, следует знать его холодильный коэффициент кх. Он, как показывает опыт, существенно зависит от температуры воздуха, охлаждающего конденсатор

КД. Если принять, что для охлаждения конденсатора используется воздух с температурой 40 °С (как в типовой компрессионной СКВ), то холодильный коэффициент близок к кх @ 1,5. В этом случае кондиционер будет потреблять электроэнергию мощностью Ж = Q0lkx = 10,2 кВт. Но физически это означает, что в комбинированной СКВ (см. рис. 3) весь наружный воздух, охлаждаемый рекуперативным теплообменником, подается только в испаритель. Тогда как в рассматриваемой блок-схеме в конденсатор подается увлажненный воздух, имеющий температуру "мокрого термометра", т. е. с температурой 27 °С, которая на 13 К ниже температуры наружного воздуха. Следовательно, даже при ¿н = 40 °С холодильный коэффициент кондиционера за счет снижения температуры конденсата может достигать значений кд @ 3. ПКХМ будет потреблять энергию мощностью Ж = Q0lkх = 5,1 кВт, а суммарное энергопотребление комбинированной СКВ (с учетом дополнительной мощности вентилятора) не превысит 7 кВт.

Получен важный результат - комбинированная СКВ при равных внешних условиях (в примере близких к предельным) оказалась практически в два раза экономичней типовой компрессионной СКВ.

Оценим расход воды в комбинированной СКВ. Для определения массового расхода воды (кг/с) в увлажнителе может использоваться

_3 3

соотношение = рн Gв (<^мт _ ^н)-10 , где рн _ плотность воздуха, кг/м ; <^мт, _ влагосодержание воздуха при температуре мокрого термометра и наружного, соответственно, г/кг.

Конденсат из испарителя целесообразно возвращать в увлажнитель. Его

_3

массовый расход можно определить по формуле = рх Gp (йн _ ^х)10 , где йх _ влагосодержание воздуха в среде (снаружи вагона) и на выходе из кондиционера.

В рассмотренном выше примере = 13,7 г/кг, = 19 г/кг, = 8 г/кг;

33

Gp @ 0,4 м/с = 1440 м/час. Примем, что суммарный расход наружного

33

воздуха в увлажнителе составляет Gн @ 1,6 м/с = 5760 м/час. Расчеты

_3 _

показывают, что в этом случае 0№у = 10,2 10 кг/с = 36,6 кг/час, = 2,7 10 3 кг/с = 9,8 кг/час. Следовательно, увлажнитель в комбинированной СКВ при предельной нагрузке суммарно будет потреблять около 27 литров в час.

Выводы

1. Транспортные СКВ с ПКХМ способны работать при температуре наружного воздуха 40 °С и относительной влажности до 40 %, однако значительно уступают другим СКВ по энергопотреблению.

2. Комбинированные СКВ отличаются высоким значением действительного холодильного и значительным снижением потребляемой энергии.

3. СКВ косвенно-испарительного охлаждения эффективнее двух первых по затратам энергии, но могут успешно работать только при относительной влажности воздуха не более 40 %.

Список литературы

1. Жариков В. А. Климатические системы пассажирских вагонов. М.: ТРАНСИНФО, 2006. 135 с.

2. Фаерштейн Ю.О., Китаев Б.Н. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах - М. Транспорт. 1984 - 272 с.

3. Маркман М. Д., Назарцев А. А. Особенности разработки и оснащения КСКВ пассажирских вагонов повышенной комфортности. В сб. докладов "Системы вентиляции, кондиционирования и отопления в пассажирских вагонах" - СПб. СПбГУНиПТ, 2оо11 -с. 86 - 88.