Изменение параметров воздуха при контакте его со снегом в холодохранилищах

Петля имеет длину 120 м, дугообразное соединение в нижней части, диаметр трубы dy=25 мм. Теплосъем с грунта примем равным: 1 кВт; 2 кВт; 3 кВт; 4 кВт; 5 кВт. При этом температурный перепад теплоносителя может изменяться от 1 до 2,5 °С (М = 2,5 °С; 2 °С; 1,5 °С; 1 °С).

Первые 24 часа после своего начала процесс теплопередачи при работе грунтового теплообменника имеет некоторую нестационарность, а уже по истечении этого времени тепловой режим стабилизируется, поэтому в работе рассмотрен стационарный процесс.

Из графика видно, что для грунтовых теплообменников не рекомендуемый температурный перепад 1°С. Минимальное значение температурного перепада 1,5 °С.

Исследование показало, что применение температурного перепада в 1°С экономически нецелесообразно, так как гидравлические потери возрастают в два раза. При анализе зависимости гидравлических потерь давления на участке в грунтовом теплообменнике установлено предельное значение температурного перепада, снижение которого ведет к резкому увеличению потерь давления на участке и расходу электроэнергии на перекачку жидкости насоса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безруких П.П., Арбузов Ю.Д., Борисов Г.А., Виссарионов В.И.. Перспективы возобновляемой энергетики // Наука в России. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. 2003. № 4. С. 155. С. 52-60.

2. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли // АВОК. 2003. № 2. С. 52-60.

3. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Утв. указанием Москомархитектуры 31.01.2001. Инсолар-инвест. М., 2001. № 8.

X

УДК 697.4:621.577

А.С. Штым, Е.В. Тарасова

ШТЫМ Алла Сильвестровна - кандидат технических наук, заведующая кафедрой инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), E-mail: shtym_alla@mail.ru, ТАРАСОВА Елена Владимировна - аспирант, ассистент кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: lotos.t.e@mail.ru © Штым А.С., Тарасова Е.В., 2012

Изменение параметров воздуха при контакте его со снегом в холодохранилищах

При прохождении воздуха через холодохранилище происходит его прямой контакт со снегом и образуется тонкая пленка воды, термодинамические параметры которой оказывают существенное влияние на свойства охлаждаемого воздуха.

Ключевые слова: кондиционирование, холодохранилище, параметры воздуха, теплообмен, влагообмен, диаграмма.

Changing the air in contact it with the snow holodohranilischah. Alla S. Shtym, Elena V. Tarasova - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

Direct contact with the snow air during the passage of air through cold storage with a thin film of water.

Thermodynamic parameters which significantly influence the properties of cooled air.

Key words: air conditioning, cold storage, air conditions, heat transfer, moisture transfer, the diagram.

Применение естественных источников холода имеет экологические и энергосберегающие преимущества при создании комфортных условий в помещениях по сравнению с традиционными системами кондиционирования воздуха (такими как сплит, чиллер-фанкойл).

При прохождении воздуха через холодохранилище происходит прямой его контакт со снегом. Воздух, охлаждаясь, отдает свою теплоту снегу, который переходит в жидкую фазу - талую воду. На поверхности

Рис. 1. 1-(1-диаграмма характерных процессов тепло- и влаго-обмена воздуха с водяной пленкой на поверхности снега при различных начальных состояниях воздуха

снега при контакте его с теплым воздухом образуется тонкая пленка воды. Теплообмен с воздухом происходит на границе воздух - вода.

Обычно предполагают, что тонкий слой воздуха на поверхности воды оказывается полностью насыщенным водяными парами, а его температура равна температуре воды. Состояние воздуха в этом слое можно определить по температуре воды, считая его относительную влажность ф равной 100%. При таком предположении процесс тепло- и влагообмена между воздухом и водой можно рассматривать как процесс смешения основного потока воздуха с насыщенным влажным воздухом в тонком слое, контактирующем с водой [2].

Процесс изменения состояния воздуха при контакте с водяной пленкой в холодохранилище представлен на М диаграмме в зависимости от начального состояния воздуха (рис. 1). Примем температуру пленки воды постоянной, равной температуре плавления снега, - 0 оС. Воздух заходит в холодохранилище и начинает соприкасаться со снежной массой, по мере прохождения через холодохранилище с воздухом происходят процессы тепло- и влагообмена.

Рассмотрим несколько характерных процессов изменения параметров воздуха в зависимости от их начальных значений (рис. 1).

Точка А характеризует состояние тонкой пленки воды на поверхности снега, 1А = 0 оС, ф = 100%. При подаче теплого воздуха, насыщенного влагой (точка В1), воздух интенсивно охлаждается и осушается. Вода охлаждает воздух и отбирает тепло, выделившееся при конденсации водяных паров на ее поверхности. Воздух охлаждается до достижения максимальной влажности ф = 100%, в нем образуется туман, далее воздух продолжает охлаждаться и осушаться до температуры точки А с постоянной влажностью ф = 100%. Процесс В2 - А происходит так же, как начальная стадия процесса В1 - А. Воздух также осушается и охлаждается, но влажность достигает 100% только при 1А= 0 оС. Процесс В3 - А идет при постоянном влаго содержании d = 3,8 г/кг. Воздух не осушается и не увлажняется, изменяется только его температура (сухое охлаждение). Точка В4 характеризует состояние теплого, сухого воздуха с d < 3,8 г/кг. При соприкосновении потока воздуха с пленкой воды на поверхности снега происходит охлаждение и увлажнение воздуха. Тепло воздуха идет на испарение и на нагрев талой воды.

В идеальном случае воздух, подающийся в холодохранилище, может охладиться до I = 0 °С. Фактически процесс охлаждения воздуха заканчивается на температуре выше 0 °С. Параметры воздуха, уходящего из холодохранилища, зависят от интенсивности теплообмена, площади соприкосновения со снегом и расхода воздуха.

При расчете охлаждения воздуха в холодохранилище необходимо рассматривать взаимодействие влажного воздуха с пленкой воды на поверхности снега.

В снегохранилище параметры влажного воздуха определяются температурой водяной пленки, которая, в свою очередь, равна температуре плавления пресного льда - 0 оС. При этом влагосодержание насыщенного воздуха равно 3,8 г/кг, а его теплоемкость - 1,0118 кДж/(кг-К).

Теплообмен по полной теплоте можно также определить как сумму явной qя и скрытой q ск теплоты [1]:

Явп = qвя + qвск, в в

qвя - определяется по формуле [1]:

qBя = а - и

где а{ - коэффициент теплообмена; t1 - температура поверхности воды; t2 - температура потока воздуха;

q ск - количество скрытой теплоты, переданной в процессе влагообмена [2]:

¿ск = г  },

Уравнение (3) несколько неточно, так как не учитывает переноса теплосодержания жидкой фазы, для учета которой величину г следует заменить величиной полного теплосодержания г [3].

Количество сконденсировавшейся влаги при нормальном атмосферном давлении можно определить из уравнения Ньютона [1]:

Л = ^ Ц -

и следующего [3]:

Ь=в К - ^

где в - коэффициент влагообмена кг/(м2-ч-мм рт.ст):

в = (а + Ьш) В

где: Н - упругость водяного пара в воздухе, мм рт. ст.; Нш- упругость водяного пара над поверхностью воды, мм рт. ст.; а - коэффициент, зависящий от температуры воды, при температуре меньше 30 оС принимается равным 0,022; Ь - коэффициент, принимается равным 0,0174; В - барометрическое давление в мм рт. ст.; ш - скорость потока воздуха [3].

Тогда:

елв (К -

1

3600

а ск = г • а. - а,) Вт/м2,

^в вл а 4 2 к

Вт/м2,

где аа - коэффициент влагоперехода; а1 - влагосодержание насыщенного воздуха при температуре равной температуре поверхности воды; а2 - влагосодержание потока воздуха; г - полное теплосодержание водяного пара при температуре пленки воды. Выразим аа из (8):

а _ с _ ^вл  в

' С  . - ^  (¿2 - 4>3600 3600 • Ц- ¿У Тогда, используя соотношение Льюиса, найдем коэффициента теплоотдачи от потока воздуха к поверхности водяной пленки а :

1000 • с  в •

а = с  а. = ' ,, в-^ Вт/(м2К

' в . 3,6 •

Зависимость (10) представлена графически на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Коэффициент теплоотдачи от потока воздуха к поверхности водяной пленки в зависимости от его температуры и влажности

Рис. 3. Коэффициент теплоотдачи от потока воздуха к поверхности водяной пленки в зависимости от его скорости, при температуре воздушного потока 15 °С и влажности 50%

При уменьшении влажности воздуха коэффициент теплоотдачи а> стремится к прямой, зависящей только от скорости воздушного потока. При увеличении влажности потока воздуха от 10 до 100% коэффициент теплоотдачи а ( уменьшается в среднем на 0,1-0,8 Вт/(м2-° С), в зависимости от температуры и влажности воздуха. Гораздо сильнее коэффициент теплоотдачи а< зависит от скорости воздушного потока. Как свидетельствует рис. 3, коэффициент теплоотдачи а> увеличивается более чем в 6 раз при увеличении скорости воздушного потока от 0,1 до 8 м/с.

Согласно уравнению Меркеля [1], поток полного тепла от воздуха к воде определяется как

авп = аа

Используя эту зависимость, можно определить количество полной теплоты, отдаваемой потоком теплого воздуха 1 м2 пленки воды на поверхности массива снега.

Количество полной теплоты qвп, отдаваемой воздушным потоком массиву снега, зависит от скорости воздушного потока. При скорости 5 м/с и температуре 30 оС количество полной теплоты достигает 1900 Вт/м2. Но при понижении температуры воздуха этот параметр быстро снижается. При температуре воздуха 7,5 оС и той же скорости воздуха количество полной теплоты равно 200 Вт/м2. Это говорит об очень эффективном теплообмене в начале процесса теплообмена между снегом и воздухом (рис. 2) и постепенном его снижении по мере прохождения воздуха через холодохранилище.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования будут использованы при составлении инженерной методики расчета аккумуляторов естественного холода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богословский В.Н., Новожилов В.И., Симаков Б. Д., Титов В.П. Отопление и вентиляция. Ч. II. Вентиляция. М.: Строиздат, 1976. 439 с.

2. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. М.: Строиздат, 1985. 367 с.

3. Максимов Г.А. Проектирование процессов кондиционирования воздуха, М.: Высш. шк. 1961. 100 с.

X

УДК 697.4:621.577

А.С. Штым, А.А. Когаль

ШТЫМ Алла Сильвестровна - кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: shtym_alla@mail.ru, КОГАЛЬ Анна Анатольевна - магистрант кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: anna_kogal2601@mail.ru.

© Штым А.С., Когаль А.А., 2012

Применение солнечных коллекторов для горячего водоснабжения в спортивном комплексе «Ледовая арена»

Представлена разработка принципиальной схемы горячего водоснабжения на базе солнечных коллекторов Nibe Solar FP 215.

Ключевые слова: солнечные коллекторы, горячее водоснабжение, энергосбережение.

Application of solar collectors for hot water sports complex "Ice Arena". Alla S. Shtym., Anna A. Kogal -

School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

The development concept based on hot water solar collectors Nibe Solar FP 215.

Key words: solar collectors, hot water supply, energy efficiency.

В рамках краевой программы «Энергосбережение» в г. Уссурийске было принято решение установить солнечные коллекторы на крытом хоккейном катке «Ледовая арена» [2]. На данном объекте горячее водоснабжение предусматривается для обеспечения хозяйственно-бытовых и технологических нужд; нагрузка на ГВС 0,0834 Гкал/ч (97 кВт/ч). В настоящее время потребность в горячей воде удовлетворяется за счет работы емкостных электроводонагревателей. Солнечные коллекторы устанавливаются как альтернативный источник теплоснабжения, что позволит значительно снизить эксплуатационные затраты на эти нужды [1].

Для использования энергии солнца разработан проект системы горячего водоснабжения на базе солнечных коллекторов Nibe Solar FP 215 в количестве 30 штук. Коллекторы устанавливаются на южном фасаде здания под углом 60о, что оптимизирует их производительность в зимний и переходный периоды и снижает излишки теплоты летом. В схеме системы предусмотрено предохранение от перегрева теплоносителя в солнечном контуре путем сброса излишек теплоты в систему отопления, так как из-за особенностей работы