ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОСВЕННО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА Цимерман А. Б. В предлагаемой статье изложены некоторые результаты многолетних работ автора в области испарительного охлаждения воздуха. На основе этих работ созданы и освоены в производстве высокоэффективные, экономичные и экологически безопасные испарительные воздухоохладители различных схемных решений и конструкций. Дефицит энергоресурсов и нарастающие угрозы загрязнения окружающей среды заставляют всё чаще обращаться к возобновляемым энергоресурсам, обязанным своим существованием солнечной радиации. Одним из таких энергоресурсов является природная неравновесность атмосферного воздуха, как смеси сухих газов и водяных паров, которая выражается через разность температур между температурами сухого и мокрого термометров (tс – tм) – психрометрическую разность температур. В развитых странах одним из основных потребителей энергии являются установки кондиционирования воздуха, в которых для охлаждения воздуха используются энергоёмкие компрессионные холодильные машины. Вместе с тем в жарких и сухих районах Земли психрометрическая разность температур в летний период может достигать 25ºС, и её целесообразно использовать в установках кондиционирования воздуха для производства холода. Использование для этой цели в летний период традиционных холодильных машин приводит к значительным затратам электроэнергии и, следовательно, топливных ресурсов. Охлаждение воздуха при непосредственном контакте с водой (адиабатическое или изоэнтальпийное) не является холодопроизводящим процессом, т.к. теплосодержание воздуха в этом процессе не изменяется. Процесс получения холода за счёт использования психрометрической разности температур простейшим образом реализуется в установках косвенно – испарительного охлаждения воздуха, где воздух охлаждается сухой поверхностью, которая с противоположной стороны охлаждается испаряющейся водой. Для осуществления процессов переноса тепла и влаги при косвенно-испарительном охлаждении воздуха необходимым является наличие двух потоков воздуха:
полезного основного потока, тепло от которого отводится конвективным путём через разделяющую стенку теплообменника без непосредственного контакта с водой. Этот воздух охлаждается со снижением его теплосодержания и подаётся в кондиционируемое помещение; вспомогательного потока, в котором происходит испарение воды, воспринявшей тепло через разделяющую стенку от основного потока. Процесс во вспомогательном потоке протекает с увеличением влагосодержания и теплосодержания воздуха, поэтому этот воздух не пригоден для целей охлаждения помещений и выбрасывается наружу. Температура испаряющейся воды в установках косвенно-испарительного охлаждения воздуха всегда выше температуры точки росы начальной температуры охлаждаемого воздуха. Именно поэтому процесс его охлаждения протекает при постоянном влагосодержании.
В существующих косвенно-испарительных воздухоохладителях теоретическим пределом охлаждения является температура мокрого термометра охлаждаемого воздуха. Вместе с тем, мы можем предложить такую каскадную схему (1), когда часть охлаждённого по линии постоянного влагосодержания d=const воздуха используется после его адиабатического увлажнения для последующего сухого охлаждения оставшейся части воздуха.
Рис. 1.
При достаточно большом числе ступеней и значительных поверхностях тепло и массообмена конечная температура охлаждаемого воздуха может приблизится к его температуре точки росы. Следовательно, теоретически пределом охлаждения при косвенно-испарительном охлаждении является температура точки росы охлаждаемого воздуха. Для определения оптимального метода получения холода за счёт термической неравновесности атмосферного воздуха рассмотрим процессы, происходящие при обтекании потоком ненасыщенного воздуха пластины, одна из сторон которой сухая, а противоположная сторона постоянно находится в увлажнённом состоянии (рис. 1а, 1б, 1в), (2). Примем, что термическое сопротивление пластины равно нулю, поверхность пластины – бесконечна, теплообмен с окружающей средой отсутствует. На рисунке изображена схема одного теплообменного элемента при различных способах обтекания его воздушным потоком. В случае параллельноточного движения потоков (рис. 1а) теоретическим пределом охлаждения является температура мокрого термометра охлаждаемого воздуха. Рассмотрим следующую организацию процесса (рис. 1б). Воздух движется, огибая пластину сначала вдоль сухой поверхности, а затем – вдоль влажной. При этом он на выходе с влажной стороны приобретает температуру мокрого термометра, т.е. в целом происходит адиабатическое увлажнение воздуха. Разность температур по обеим сторонам пластины обуславливает возникновение теплового потока направленного от воздуха, движущегося вдоль сухой поверхности пластины к увлажняемому потоку воздуха. Вода, испаряясь, отбирает теплоту парообразования от пластины, следовательно, от прямого потока воздуха и вместе с парами передаёт обратному потоку. Принимая в сечении поворота теплосодержание воздуха Ip, из баланса тепла І1 – Ір = І2 – Ір, находим, что І1 = І2. Таким образом, в каждом сечении пластины разность температур между потоками равна психрометрической разности температур охлаждаемого воздуха. Так как воздух двигаясь вдоль сухой поверхности, охлаждается при постоянном влагосодержании, то разность температур между потоками в сечении поворота становится равной нулю при достижении сухим потоком температуры точки росы. Таким образом, при обтекании односторонне смоченной пластины, с учётом принятых допущений, воздух охлаждается на сухой стороне до температуры точки росы, а на влажной стороне нагревается и увлажняется до параметров соответствующих температуре мокрого термометра воздуха, входящего на сухую сторону пластины. Для проверки справедливости приведенных выше рассуждений была проведена серия экспериментов. Данные, приведенные в таблице 1 показывают, что характер изменения параметров воздуха соответствует предполагаемому. Температура в сечении поворота близка к температуре точки росы охлаждаемого воздуха, а на выходе с влажной стороны – его температуре мокрого термометра. Следует отметить, что холод в рассмотренном процессе не производится, так как теплосодержание воздуха на входе и выходе остаётся неизменным. Таблица 1.
параметры воздуха №
№ режима
на входе
в сечении поворота
скорость воздха
на выходе
t1, ºC
t1m, ºC
d1, г/кг
t2, ºC
t2m, ºC
d1, г/кг
t3, ºC
t3m, ºC
d3, г/кг
V, м/с
1
40
35
17,1
4,9
7,2
3,6
4,9
24
17,3
10,6
2,8
2
42
30,1
16,8
6,3
10,1
7,6
6,3
20
17,1
11
3,0
3
46
40
18,5
6,5
10,2
8,0
6,5
23,8
18,8
14,3
3,0
Приведенные рассуждения лишь устанавливают наличие на повороте потока предельно низкой температуры, близкой к температуре точки росы охлаждаемого воздуха. Однако воздух покидает влажную сторону пластины ещё обладая охлаждающей способностью, характеризуемой психрометрической разностью температур. Полное её использование наступит при подогреве уходящего воздуха с одновременным его увлажнением до параметров точки 3 (рис. 1 в), где t1=t 3 при относительной влажности воздуха φ=1. В этом случае удельное количество тепла, воспринимаемое обратным потоком, увеличивается и становится больше удельного количества тепла, отдаваемого прямым потоком. I3–Iр >I1_-Iр Из теплового баланса следует, что расход обратного потока становится меньше прямого и, следовательно, часть охлаждаемого воздуха может быть полезно использована. Тогда рассмотренная ранее схема трансформируется следующим образом: охлаждённый полный поток воздуха Gп на выходе с сухой поверхности пластины делится на две части. Основной полезный поток G0 направляется к потребителю в помещение, вспомогательный GB – на влажную сторону пластины. Модель такого воздухоохладителя, в котором обеспечивается охлаждение ненасыщенного воздуха до точки росы при полном использовании психрометрической разности температур назовём идеальной. В идеальной модели полный поток охлаждается до температуры точки росы, а вспомогательный, сохраняя состояние полного насыщения, нагревается до начальной температуры охлаждаемого воздуха. Полезная холодопроизводительность модели: Qид0 = Gид0 · (І1 – Ір) (1) Где Gид0 – расход основного потока идеальной модели. Тепловой баланс идеальной модели: Gn · (І1 – Ір) = Gидв · (І3 – Ір) (2) Введя соотношение Мид = Gид o / Gидп, получим: Мид = Gидo / Gидп = (І3 – І1)/ (І3 – Ір) (3) Удельный расход основного потока Мид определяет долю полезно используемого воздуха. Из уравнения 1 следует: Q0 = G0 · (І1 – Ір) = Gв · (І3 – І1) Тогда Мид = (Gидв · (І3 – І1))/ (Gидв · (І3 – Ір)) = Qид0/ Qп (4) Таким образом, Мид характеризует энергетические возможности атмосферного воздуха, как смеси сухой части и водяного пара с точки зрения получения холода. Как следует из уравнения 3, Мид является функцией состояния воздуха, т.е. зависит только от его начальных параметров. Поскольку в каждом сечении идеальной модели температуры полного и вспомогательного потоков равны между собой, а вода испаряется в насыщенный воздух, следовательно, процессы передачи тепла и влаги протекают квазистатически и можно полагать, что они обратимы. Тогда, согласно второму началу термодинамики, должно выполнятся равенство: ΣSвых/ ΣSвх = 1 (5) Т.е. энтропия в процессе охлаждения не меняется. Применительно к идеальной модели: ΣSвых/ ΣSвх = (Мид · Sp · (1 + Мид) · S3 )/( S1 + (1 – Мид) · Δd · S w) = 1 (6) Проведенные вычисления при различных начальных параметрах воздуха показали, что отношение по формуле (6) меняется в интервале 1,007 ÷ 1,002. Таким образом, можно считать, что процессы, протекающие в идеальной модели, обратимы, и она позволяет получить максимальный эффект охлаждения ненасыщенного воздуха за счёт испарения воды при минимальных затратах и реализуется обратимыми процессами, следовательно, степень ее термодинамического совершенства равна 1. Эта абстракция характеризует предельные возможности способа косвенно-испарительного охлаждения воздуха, являясь эталоном любого устройства такого типа. Полученные аналитические зависимости Мид (3) позволили протабулировать эту функцию в области параметров, характерных для климата Земли и построить диаграмму Мид от параметров наружного воздуха t1 (рис. 2). Прямоугольная координатная сетка этой диаграммы, образованная линиями Мид и t1, замкнута между линиями относительной влажности φ = 1 и φ = 0.
Рис. 2.
На основании анализа диаграммы Мид – t1, можно сделать следующие выводы: 1.
2.
3. 4.
Снижение влагосодержания охлаждаемого воздуха приводит к уменьшению удельного расхода основного потока Мид; или снижение температурного уровня получаемого холода связано с увеличением вспомогательного потока Gв и уменьшением доли основного полезного потокавоздуха, т.е. G0 с понижением температурного уровня получаемого холода затраты на его получение возрастают, что соответствует общим термодинамическим принципам. Увеличение начальной температуры охлаждаемого воздуха приводит к росту удельного расхода основного потока. Мид. При t1 = 100°С, когда процесс испарения сменяется процессом кипения и необходимость в отводе паров воды с поверхности испарения отпадает, вспомогательный поток Gв = 0 и M100ид = 1. При постоянном влагосодержании охлаждаемого воздуха удельный расход основного потока принимает минимальное значение на линии насыщения при t1 = tр. При постоянном теплосодержании воздуха величина удельного расхода основного потока Мид изменяется незначительно. Весьма показательным являются анализ хода линии Мид = const в id-diagram (рис. 3) – в области высоких влагосодержании воздуха диапазон изменений Мид невелик, напротив – при малых значениях d1 удельный расход меняется значительно.
Оценим степень термодинамического совершенства Z (коэффициент неидеальности) реальной установки косвенноиспарительного охлаждения, сопоставив её с идеальной моделью. Поскольку сравнение производится при различных температурных уровнях, прямое сопоставление холодопроизводительности неправомочно. Z = EQд/ EQид (7) где EQд,EQид – эксергия холода, полученного, соответственно, в реальной установке и идеальной модели. EQ = Q/εк (8) где εк – холодильный коэффициент цикла Карно между температурами среды и средней температурой полученного холода. Подставляя в выражение (8) соответствующие значения, получим: EQд = (Ср · Gд · (Т1 – Т2)2)/( Т1 + Т2) (9) EидQ= (Ср · Gид0 · (Т1 – Т2)2)/( Т1 + Тр) (10) тогда Z = (Gд0/ Gид0) · ((Т1 – Т2)/(Т1 – Тр))2 · ((Т1 + Тр)/(Т1 + Т2)) (11) Здесь первый сомножитель при одинаковом полном потоке определяет степень использования воздуха: Λ = (Gд0/ Gп)/ (Gид0/ Gп ) = Мд/Мид (12) Как было показано выше, пределом охлаждения воздуха является его температура точки росы, следовательно, второй сомножитель в уравнении (12) представляет собой коэффициент эффективности:
Ер = (Т1 – Т2)/(Т1 – Тр) (13) В диапазоне параметров воздуха, характерных для климата у поверхности Земли, третий сомножитель в выражении (11) (Т1 + Тр )/(Т1 + Т2 ) ≈ 1 (14) Тогда степень термодинамического совершенства может быть описана соотношением: Z = Λ · Е2р (15) Итак, степень термодинамического совершенства учитывает влияние двух факторов: количество воздуха, которое можно полезно использовать, и эффективность работы установки. Выражение (15) пригодно для оценки термодинамического совершенства любой установки косвенно-испарительного типа. При одинаковых параметрах наружного воздуха максимальная степень термодинамического совершенства установок, выполненных по различным схемам: Совмещённые схемы – 0,15 ÷ 0,25. Регенеративные схемы – 0,4 ÷ 0,6. Следовательно, при равных начальных условиях степень термодинамического совершенства конкретной конструкции регенеративного косвенно-испарительного воздухоохладителя выше, чем у распространённых схем. Возможность более глубокого охлаждения воздуха в ряде случаев исключает использование двухступенчатой схемы с адиабатическим охлаждением воздуха во второй ступени. Это также существенно улучшает микроклимат в кондиционируемых помещениях. Использование принципов регенеративного косвенного-испарительного охлаждения совместно с предварительной осушкой воздуха позволяет существенно снизить температуру охлаждаемого воздуха до +5ºС ÷ +7°С, расширяет область использования этого метода; в частности, для охлаждения сочного растительного сырья и других продуктов, не требующих отрицательных температур для своего хранения. Проведенные эксперименты показали, что при влагосодержании воздуха d<2 г/кг приточный воздух охлаждается с температуры +10ºC до 0°С. Эффективность косвенно-испарительного охлаждения воздуха и возможность его практического использования значительной степени зависит от начального влагосодержания охлаждаемого воздуха, т.е. его температуры точки росы.
в
При параметрах внутреннего воздуха в помещении 25-28°С и относительной влажности не более 60% предельное допустимое влагосодержание наружного воздуха, позволяющее обеспечить эти параметры при использовании косвенно-испарительного охлаждения, не должно превышать d < 13 г/кг. При больших значениях влагосодержания необходимо предварительную осушку охлаждаемого воздуха.
использовать
традиционные
холодильные
машины,
либо
Другим важным фактором, определяющим целесообразность использования косвенно-испарительного охлаждения, является его энергетическая эффективность, характеризующая ξ, – отношением ассимиляционной холодопроизводительности к затратам энергии на транспортировку воздуха через косвенно-испарительный воздухоохладитель (формальный аналог холодильного коэффициента) ξ = Qасс/Nпот (16) где Nпот = Lп · ΔР/ηв Lп – расход полного потока воздуха, м3/час ΔР – аэродинамическое сопротивление воздухоохладителя, Па ηв – КПД вентиляционного оборудования. Величина энергетической эффективности ξ в основном зависит от влагосодержания охлаждаемого воздуха. В таблице 3 приведены значения эффективности в зависимости от влагосодержания при начальной температуре охлаждаемого воздуха 32ºС. Приведенные значения соответствуют влагосодержанию воздуха в жарких сухих континентальных районах Земли, на которых проживает значительная часть населения Земного шара. Таким образом, регенеративное косвенно-испарительное охлаждение можно широко использовать для целей охлаждения воздуха с большими энергетическими выходами, т.к. приведенные в таблице 2 энергетические коэффициенты существенно выше холодильного коэффициента традиционных установок, используемых для кондиционирования воздуха. Таблица 2.
Выводы:
Влагосодержание охлаждаемого воздуха, г/кг
2
4
6
8
10
12
Энергетическая эффективность
24
19
15,6
12,5
10
8,2
1.
2.
3. 4.
На основе проведенного термодинамического анализа создан новый тип охладителя воздуха – регенеративный косвенноиспарительный воздухоохладитель, позволяющий получить максимальный эффект охлаждения при минимальных затратах воздуха и воды. В результате обработки статистических данных по стоянию влагосодержания атмосферного воздуха в различных климатических районах мира установлено, что регенеративные испарители могут обеспечить оптимальные и допустимые параметры воздуха в помещениях на этих территориях, исключая зону влажных тропиков и субтропиков. Разработаны и реализованы экспериментальные конструкции кондиционеров РКВ различного назначения. Их испытания подтвердили предложенные теоретические и расчётные положения. В настоящее время разработка и изготовление косвенно-испарительных воздухоохладителей различного типа и назначений организованы в предприятиях фирмы ТТ - Group (Украина).
Основными преимуществами кондиционеров РКВ являются:
экологическая безопасность – отсутствуют экологически опасные и токсичные химические элементы и соединения; высокая экономичность – расход электроэнергии на их привод в 3-5 раз меньше чем у существующих кондиционеров; низкая стоимость при изготовлении – конструкция не содержит технологически сложных узлов и дорогих материалов; кондиционер подает в помещение только наружный воздух, в отличие от существующих конструкций работающих на рециркуляции, приводящей к накоплению в воздухе помещений вредной микрофлоры и запахов. важным преимуществом этого типа воздухоохладителей является наличие одного вентилятора, что существенно упрощает схему и удешевляет конструкцию. все процессы в кондиционере идут при давлении равном атмосферному, поэтому особой герметичности установок не требуется; кондиционер может быть установлен в стационарных или передвижных объектах; модульный дизайн дает широкие возможности модификаций конструкций и варьирования мощности.
Список использованной литературы: 1.
Цимерман А.Б., Майсоценко B.C., Печерская И.М. Косвенно-испарительный воздухоохладитель нового типа. Холодильная техника 1976 г. №3 стр. 12. 2. Авторское свидетельство 407519 (СССР). Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / А.Б. Цимерман, Р.Ш. Лейдикер, Я.З. Фаликсон. Опубл. вБИ,1977, №23 3. Авторское свидетельство 407520 (СССР). Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / А.Б. Цимерман, Р.Ш. Лейдикер, Я.З. Фаликсон. Опубл. в БИ, 1977, №23 4. А. Цимерман. Об оптимальном способе использования психрометрической разности температур для получения воздуха. Инженерно - технический журнал, том XXXIV, - Минск, 1978г. №3, стр. 542. 5. United States Patent, Tsirnerman, Patent Number: 5,212,956. METHOD AND APPARATUS FOR GAS COOLING. 6. United States Patent, Tsimerman, Patent Number: 5,349,829. METHOD AND APPARATUS FOR EVAPORATIVELY COOLING GASES AND/OR FLUIDS. 7. United States Patent, Tsimerman, Patent Number: 5,460,004. DESICCANT COOLING SYSTEM WITH EVAPORATIVE COOLING. 8. Деклараційний патент на винахід №58983А, Установка для посередньо-випарного охолодження повітря. Вартовий Віктор Олександрович, Вартовий Дмитро Вікторович, Цимерман Олександр Бенционович. 9. Деклараційний патент на винахід №70434, Установка кондиціюнування повітря. Вартовий Віктор Олександрович, Вартовий Дмитро Вікторович, Цимерман Олександр Бенционович. 10. А. Цимерман, И. Яковенко. Метод испарительного охлаждения воздуха: технология, преимущества, перспективы. Отопление водоснабжение вентиляция. №1 2004г. Издатель ООО «ИД БАУбизнес». 11. И. Яковенко, Е. Соловцов, А. Цимерман. Новое в кондиционировании воздуха: косвенно-испарительная рекуперативная установка (КИРУС). №3 2005г. Издатель ООО «ИД БАУбизнес».
По материалам журнала "Отопление, Водоснабжение+Кондиционирование"