Разработка современных энергоэффективных воздухоприготовительных центров систем кондиционирования воздуха и вентиляции

Разработка современных энергоэффективных воздухоприготовительных центров систем кондиционирования воздуха

и вентиляции

А.Н. Гвоздков, О.Ю. Суслова, А.В. Авдонин, А.А. Викстрем Волгоградский государственный технический университет

Аннотация: В статье рассматриваются особенности работы воздухоприготовительного центра (ВПЦ) на основе форсуночных камер орошения (ФКО), разработана конструкция экспериментального стенда и представлены результаты испытаний ФКО, позволившие определить пути их совершенствования, в частности в нижней части рабочего пространства была размещена плоскопараллельная насадка. Экспериментально было установлено, что эффективность процессов тепло-и влагообмена возрастает в среднем на 6*10%.

Ключевые слова: воздухоприготовительный центр, форсуночная камера орошения, тепло- и массообмен, эффективность.

Экономия энергоресурсов в строительном комплексе РФ приобретает в последнее время особое значение. В первую очередь это связано с тем, что 40% добываемого в стране топлива и до 10% производимой электрической энергии тратится на покрытие нужд отопления, охлаждения, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха [1].

Анализ затрат энергии показал, что одними из наиболее энергоемких объектов являются жилые и общественные здания, в частности, их инженерное оборудование, включая системы кондиционирования воздуха и вентиляции (СКВ и В), которые потребляют значительное количество тепловой и электрической энергии и оказывают существенное влияющих на тепловой и воздушный режим зданий [2, 3].

Сокращение потребления энергии СКВ и В может осуществляться по различным направлениям, среди которых: совершенствование конструкций воздухоприготовительных центров (ВПЦ) систем кондиционирования воздуха и вентиляции, использование нетрадиционных источников энергии, оптимизация регулирования и эксплуатации систем.

Важное место занимает утилизация вторичных энергоресурсов (ВЭР), в частности, теплоты вытяжного (удаляемого) воздуха.

Типовые схемы ВПЦ предусматривают как возможность нагрева, охлаждения и увлажнения приточного воздуха, так и утилизацию тепловой энергии удаляемого воздуха [4]. Для этих целей в ВПЦ применяются утилизаторы тепла контактного типа, в которых, при непосредственном контакте воздуха с жидкостью, осуществляется тепловлажностная обработка (ТВО) воздуха. В качестве контактных аппаратов могут применяться форсуночные камеры орошения, пленочные теплообменники, камеры с орошаемой насадкой и др.

На рис.1 изображена принципиальная схема ВПЦ, обеспечивающего возможность утилизации тепловой энергии удаляемого воздуха, с использованием в качестве контактного аппарата форсуночной камеры орошения (ФКО).

Рис. 1. - Воздухоприготовительный центр

Воздухоприготовительный центр включает в себя ФКО в потоке удаляемого воздуха 1, циркуляционный насос 2, подогреватель

промежуточного теплоносителя 3, регулирующий клапан 4, трубопровод для подачи теплоносителя 5, датчик температуры 6, а также ФКО в потоке приточного воздуха 7.

Работа ВПЦ в холодный период года осуществляется следующим образом. Удаляемый из помещения теплый воздух поступает в ФКО 1, где, взаимодействуя с промежуточным теплоносителем (жидкостью), охлаждается и осушается. Промежуточный теплоноситель при контакте с теплым воздухом нагревается и поступает в ФКО 7, расположенную в потоке приточного воздуха, где происходит нагрев и увлажнение наружного воздуха. В циркуляционной линии промежуточного теплоносителя предусматривается установка подогревателя 3, в котором, при необходимости, осуществляет дополнительный подогрев теплоносителя.

Во избежание случаев замерзания промежуточного теплоносителя в холодный период года в качестве рабочей жидкости могут быть использованы растворы солей, например, раствор хлористого лития (ЫС1), что позволяет также и увлажнять приточный воздух за счет влаги, сорбируемой из вытяжного воздуха [4].

Учитывая особенности работы ВПЦ, следует отметить, что основная доля затрат энергии приходится на осуществление тепловлажностной обработки воздуха в контактных аппаратах, в частности, на создание поверхности контакта взаимодействующих сред (воздуха и жидкости). В связи с этим, вопрос совершенствования контактных аппаратов с целью повышения их энергетической эффективности за счет более интенсивного протекания процессов тепловлагообмена, в настоящее время является особенно актуальным и экономически целесообразным.

Образование поверхности контакта в рабочем пространстве ФКО обеспечивается путем распыления воды в потоке обрабатываемого воздуха

при помощи распылителей, в качестве которых часто используются форсунки.

При распылении воды образуется развитая поверхность контакта, зависящая от размера и количества капель в факеле распыла, их скорости и направления движения в объеме рабочего пространства, давления воды перед форсунками и др. [5].

Сложность учета всех факторов, влияющих на формирование поверхности контакта, очень часто не позволяет однозначно оценить термодинамическую эффективность реализации процессов тепловлагообмена (ТВО) в рабочем пространстве ФКО [6].

Следует также отметить, что режимы работы ФКО характеризуются широким диапазоном изменения начальных параметров воздуха и воды, что часто приводит к нарушению оптимальных термодинамических условий взаимодействия воздуха и воды и снижению эффективности протекания обменных процессов [7].

Анализ известных конструктивных решений ФКО, направленных на повышение эффективности обработки воздуха показал, что основное направление исследований - это оптимизация конструктивных элементов рабочего пространства. При этом для интенсификации процессов обработки воздуха предлагаются более совершенные элементы ФКО, такие как форсунки, сепараторы, а также технические решения по их размещению внутри камеры [8].

Однако при этом не учитывается, что при изменении режимов работы камеры орошения нарушаются гидродинамические условия взаимодействия из-за неравномерного распределения жидкости по высоте рабочего пространства ФКО, в частности, в нижней ее части, что приводит к снижению термодинамической эффективности ее работы [9, 10].

Учитывая данное обстоятельство, для исследования протекания процессов тепловлагообмена в ФКО, определения эффективных режимов работы и установления ее теплотехнических характеристик в лаборатории вентиляции и кондиционирования воздуха института архитектуры и строительства ВолгГТУ был разработан и изготовлен экспериментальный стенд, представляющий собой малогабаритную приточную установку на базе усовершенствованной ФКО (рис.2).

Рис. 2. - Принципиальная схема экспериментального стенда Экспериментальный стенд состоит из форсуночной камеры (1), участка стабилизации потока (2), центробежного вентилятора (3) с электронагревателем (4), циркуляционного трубопровода (5) с размещенным на нем центробежным насосом (6), а также комплекта измерительных приборов, включающего микроманометр ММН-240 (7), «сухой»(8) и «мокрый» (9) термометры в потоке воздуха и термометр (10) в потоке воды.

Длина камеры орошения с учетом входных и выходных сепараторов составляла 1,33 м, вдоль которой располагались стояки с форсунками двухстороннего распыла. Для возможности исследования различных гидродинамических режимов работы ФКО было принято к установке три ряда стояков с расстоянием между ними 22,5 см.

Использование плоскопараллельной насадки в нижней части камеры орошения позволяет стабилизировать условия взаимодействия воздуха и воды, обеспечивая наиболее полный их контакт за счет равномерного распределения жидкости по поверхности пластин. Это способствует снижению аэродинамического сопротивления потоку обрабатываемого воздуха в нижней части камеры орошения и его равномерному распределению по живому сечению камеры орошения. В конечном итоге достигается поддержание оптимальных гидродинамических условий взаимодействия контактирующих сред в нижней части камеры орошения, что обеспечивает повышение эффективности тепловлажностной обработки воздуха.

При проведении экспериментальных исследований была предусмотрена возможность перемещения плоскопараллельной насадки на высоту до 200 мм по отношению к уровню воды в поддоне камеры орошения.

Для оценки эффективности процессов тепловлажностной обработки воздуха в изоэнтальпийном режиме обработки воздуха был принят коэффициент адиабатической эффективности вида:

Еа= ^

и — Г..

I м

где - начальная температура воздуха по сухому термометру, оС; Г2 -конечная температура воздуха по сухому термометру, оС; Гм - температура обрабатываемого воздуха по мокрому термометру, оС.

Основными факторами, оказывающими влияние на эффективность протекания процессов тепловлагообмена, рассматривались коэффициент орошения, массовая скорость потока воздуха, а так же особенности конструктивного решения рабочего пространства ФКО, в частности, высота плоскопараллельной насадки в потоке воздуха и количество рядов форсунок.

При проведении экспериментов параметры обрабатываемого воздуха

о о

изменялись в диапазоне 1С = 21,2*27,8 С; = 11,8*18,1 С. Значение коэффициента орошения В и массовой скорости ур варьировались, соответственно, в пределах 0,46*3,0 кг/кг и 1,08*2,35 кг/м с.

Изменение конструктивных параметров ФКО касалось возможности регулирования высоты плоскопараллельной насадки к в диапазоне 0-200 мм, чему соответствовало изменение относительной величины Н/(Н-к) в диапазоне значений 1*1,48. Также изменялось количество п рядов работающих стояков - п = 1*3.

По результатам произведенных замеров режимных параметров определялись основные показатели, характеризующие эффективность реализации процессов тепловлагообмена в рабочем пространстве ФКО.

Обработка результатов экспериментов предусматривалась как в явном (2), так и в критериальном виде (3):

Еа = /

Ыц;Ыц' = ]^

В результате математической обработки данных результатов экспериментов было получено аналитическое выражение для коэффициента адиабатической эффективности:

Еа = 0,675

Выражение (4) для Еа справедливо для области изменения параметров: В = 0,46*3,01 кг/кг; ур = 1,08*2,35 кг/м2с; Н/(Н-к) = 1*1,48.

Обобщение результатов экспериментальных исследований по теплообмену предусматривало использование критерия Нуссельта (Ыц), учитывающего в качестве движущей силы теплообмена разность температур, а по влагообмену - диффузионного критерия Нуссельта ), учитывающего в качестве движущей силы влагообмена разность парциальных давлений.

В результате обработки опытных данных получены следующие выражения обобщенной функциональной зависимости: для теплового критерия Нуссельта

Ыи = 3758,3 Яв°,4 Рг0,33 (И/(Н - к(5) для диффузионного критерия Нуссельта

Ыи' = 342,6 Яв°,52 Рг°,33

Уравнения (5) и (6) справедливы в диапазоне изменения значений критерия Рейнольдса Кв = 35000^75000 и значения Н/(Н- к) = 1^1,48.

На рис.3 представлены результаты обработки экспериментальных данных в виде зависимости коэффициента адиабатической эффективности Еа от коэффициента орошения В, при различных значениях критерия к/И, представляющего относительное значение высоты насадки

1,0 0,9

Еа 0,8

0,7

• •  я —

а1

0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,0

В, кг/кг

Рис. 3 Зависимость коэффициента адиабатической эффективности Еа от коэффициента орошения В при: о - h/H = 0,5; h/H = 0,33; • - h/H = 0,167;  - h/H = 0. Из приведенной зависимости видно, что при малых значениях коэффициента орошения (В < 0,55 кг/кг) плоскопараллельная насадка не

влияет на эффективность протекания процессов тепловлагообмена, что обусловлено неполным контактом воздуха с водой. При увеличении коэффициента орошения до значения В = 0,7 кг/кг, значение Еа увеличивается от 0,83 до 0,88, при увеличении h/H от 0 до 0,167. При дальнейшем увеличении коэффициента орошения до В=1,2 кг/кг, значение Еа увеличивается от 0,84 до 0,89, при увеличении h/H от 0 до 0,167 и от 0,84 до 0,94 при увеличении h/H от 0 до 0,33.

При значении h/H равном 0,33 и 0,5 значения Еа практически не отличаются друг от друга во всем диапазоне значений В. Таким образом, увеличение h/H более чем 0,33 представляется нецелесообразным. Также при увеличении h/H происходит расширение оптимального диапазона взаимодействия воздуха и воды. В частности, при h/H=0 - В=0,55 *0,8 кг/кг, при h/H=0,16 - В=0,55 * 0,92 кг/кг, а при h/H=0,33 - В=0,55 * 1,2 кг/кг.

Таким образом, повышение эффективности обработки приточного воздуха в ВПЦ может быть достигнуто за счет оптимизации рабочего пространства контактного аппарата, исключающей нарушение гидродинамических и гигротермических условий взаимодействия контактирующих сред.

Обработка экспериментальных данных (рис.3) с использованием коэффициента адиабатической эффективности Еа позволила установить, что при использовании плоскопараллельной насадки в нижней части рабочего пространства камеры орошения эффективность процессов тепло-и влагообмена возрастает в среднем на 6*10%.

Литература

1. Кокорин О.Я. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции, кондиционирования. М.: Издательство АСВ, 2013. 256 с.

2. Абрамян С.Г., Матвийчук Т. А. К вопросу энергетической эффективности зданий и сооружений // Инженерный вестник Дона, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3993/.

3. Галкина Н.И. КПД систем вентиляции // Инженерный вестник Дона, 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4106.

4. Богословский В.Н., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.:Стройиздат, 1983. 319 с.

5. Тарабанов М.Г., Видин Ю.В., Бойков Г.П. Тепло- и массоперенос в камерах орошения кондиционеров с форсунками распыления. Красноярск: КПИ, 1974. 210 с.

6. Андреев Е.И. Расчет тепло-и массообмена в контактных аппаратах. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 192 с.

7. Гвоздков А.Н. Процесс тепло- и влагообмена в системе «воздух-вода» с позиции теории потенциала влажности. Известия Вузов. Строительство. 2015. №11-12(683-684). С. 31-41.

8. Pandelidis, D.; Anisimov, S.; Worek William M. Performance study of the Maisotsenko Cycle heat exchangers in different air-conditioning applications. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Volume 81 (2015). pp. 207-221.

9. Khudheyer Ahmed F. Experimental study for heat and mass transfer from moist air flowing over moving water film. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2011. Volume 6 (7). pp. 110-117.

10. Гвоздков А.Н., Суслова О.Ю. К вопросу повышения энергетической эффективности систем кондиционирования воздуха и вентиляции на основе регулирования режимов обработки воздуха в контактных аппаратах // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2014. Вып. 3(34). Ст. 3. URL: vestnik.vgasu.ru/

References

1. Kokorin O.Ja. Jenergosberezhenie v sistemah otoplenija, ventiljacii, kondicionirovanija [Energy saving in heating, ventilation, air conditioning systems]. M.: Izdatel'stvo ASV, 2013. 319 p.

2.Abramjan S.G., Matvijchuk T.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2017. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3993/.

3. Galkina N.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2017. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4106.

4. V.N.Bogoslovskij, M.Ja.Poz Teplofizika apparatov utilizacii tepla sistem otoplenija, ventiljacii i kondicionirovanija vozduha [Thermophysics of units waste heat recovery systems heating, ventilation and air-conditioning]. M.:Strojizdat, 1983. 319 p.

5. M.G.Tarabanov, Ju.V.Vidin, G.P.Bojkov Teplo- i massoperenos v kamerah oroshenija kondicionerov s forsunkami raspylenija [Heat and mass transfer in spray chambers of air-conditioners with spray nozzles]. Krasnojarsk: KPI, 1974. 210 p.

6. E.I Andreev Raschet teplo-i massoobmena v kontaktnyh apparatah [Calculation of heat and mass transfer in the contact units]. L.: Jenergoatomizdat, 1985. 192 p.

7. Gvozdkov A.N. Izvestija Vuzov. Stroitel'stvo. 2015. №11-12(683-684). pp. 31-41.

8. Pandelidis, D.; Anisimov, S.; Worek William M. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Volume 81 (2015). pp. 207-221.

9. Khudheyer Ahmed F. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2011. Volume 6 (7). pp. 110-117.

10. A. N. Gvozdkov, O. Ju. Suslova. Internet-vestnik VolgGASU. Ser.: Politematicheskaja.2014. Vyp. 3(34). St. 3. URL:vestnik.vgasu.ru/