Кондиционер двухступенчатого испарительного охлаждения для транспортного средства. Расчет косвенно-испарительной системы охлаждения Двухступенчатое охлаждение воздуха
Изобретение относится к технике вентиляции и кондяиион1фования воздуха. Цель изобретения - повьшение глубины охлаждения основного потока воздуха и снижение энергетических затрат. Орошаемые водой теплообменники (Т) 1 и 2 косвенно-испарительного и прямого испарительного охлалсдения воздуха последовательно расположены по ходу воздуха. Т 1 имеет каналы 3, 4 общего и вспомогательного потоков воздуха. Между Т 1 и 2 расположена камера 5 разделения воздушных потоков с перепускным каналом 6 и размещенным в нем per TiHpyeMbiM клапаном 7. Нагнетатель 8 с приводом 9 сообщен входом 10 с атмосферой, а выходом 11 - с каналами 3обп(его потока воздуха Клапан 7 через блок управления подключен к датчику т-ры воздуха в помещении Каналы 4вспомогательного потока воздуха сообщены выходом 12 с атмосферой, а Т 2 выходом 13 основного потока воздуха - с помещением. Канал 6 подключен к каналам 4, а привод 9 имеет регулятор 14 частоты вращения, подключенный к блоку управления. При необходимости уменьшения холодопроизводительности устройства по сигналу датчика т-ры воздуха в помещении через блок управления частично прикрьшается клапан 7, и с использоват1ем регулятора 14 пон гжaeтcя число оборотов нагнетателя с обеспечением пропорционального снижения расхода общего потока воздуха на величину уменьшения расхода вспомогательного потока воздуха. 1 ил. (Л to о 00 to
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)4 F 24 F 5 00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А8ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2 1) 4 166558/29-06 (22) 25.12.86 (46) 30.08.88. Вю.t, !! 32 (71) Московский текстильный институт (72) О.Я. Кокорин, М.l0, Каплунов и С.В. Нефелов (53) 697.94(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
263102, кл. F ?4 Г 5/00, 1970. (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО
ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА (57) Изобретение относится к технике вентиляции и кондиционирования воздуха. Цель изобретения — повышение глубины охлаждения основного потока воздуха и снижение энергетических затрат.
Орошаемые водой теплообменники (Т) 1 и 2 косвенно-испарительного и прямого испарительного охлаждения воздуха последовательно расположены по ходу воздуха. Т 1 имеет каналы 3, 4 общего и вспомогательного потоков воздуха, Между Т 1 и 2 расположена камера 5 разделения воздушных потоков с пере„„SU„„1420312 д1. пускным каналом 6 и размещенным в нем регулируемым клапаном 7. Нагнетатель
8 с приводом 9 сообщен входом 10 с атмосферой, а выходом 11 — с каналами
3 общего потока воздуха. Клапан 7 через блок управления подключен к датчику т-ры воздуха в помещении. Каналы
4 вспомогательного потока воздуха сообщены выходом 12 с атмосферой, а Т 2 выходом 13 ос новного потока воздуха с помещением. Канал 6 подключен к каналам 4, а привод 9 имеет регулятор
14 частоты вращения, подключенный к блоку управления. При необходимости уменьшения холодопроизводительности устройства по сигналу датчика т-ры воздуха в помещении через блок управления частично прикрывается клапан 7, и с использованием регулятора 14 понижается число оборотов нагнетателя с обеспечением пропорционального снижения расхода общего потока воздуха на величину уменьшения расхода вспомогательного потока воздуха. 1 ил.
Изобретение относиуся к технике вентиляции и кондиционирования воздуха.
Целью изобретения является повыше5 ние глубины охлаждения основного потока воздуха и снижение энергетических затрат.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства для двухступенчатого испарительного охлаждения воздуха. устройство для двухступенчатого испарительногo охлаждения воздуха содержит последовательно расположен- 15 ные по ходу воздуха орошаемые водой теплообменники 1 и 2 косвенно-испарительного охлаждения воздуха, первый чз которых имеет каналы 3 и 4 общег о и вспомогательного потоков воздуха. 20
Между теплообмснгнгками 1 и 2 расположена камера 5 1 лэделения воздушных потоков с перег ускным каналом 6 и размещенным в нем регулируемым кллгыном 7. Нлгнетлтель 8 с. приводом
9 сообщен входом 10 с атмосферой, л выходом 11 — с каналами 3 общего потокл ltna;ty;:;3. регулируемый клапан 7 через блок управления подклкгчен к длтчику температуры воздуха в помещении (HP показан) . Каналы 4 вспомогательного потока воздуха сообщены выходом
12 с атмосферой, а теплообменник 2 прямого исплрительного охлаждения воздуха выходом 13 основного потока воздуха — с пог1ещенггем. Перепускной канал 6 подклго.ген к клнллам 4 г3спг могательногo потлгсл воздухл, à привод 9 нагнетлтеля 8 имеет регул»тор 14 глстоты врлщени», подк ггочеггный к блоку 4О управления (не пока:3лн? . устройство.г -» д»ухступенчатого испарительного охллждени» l303духл и;ботает следующим образом.
Наружный воздух через вход 10 и 3- 45 ступает в гглгнетлтель 8 и через выход 11 ttartteTлется в каналы 3 общего потока воздуха теплообменникл косвенно-испарительного охлаждения. При пРохождении воздуха в каналах 3 ilpo исходит понижение его энтальпии ttpta постоянном вллгосодержанпи, после чего общий поток воздуха поступает в камеру 5 р л эд ел ения воздушных пс т ок ов.
Из камеры 5 часть предварительно охлажденного воздуха в вггде вспомогательного потока воздуха через перепускной канал 6 поступает в орошаемые сверху каналы 4 вспомогательного потока воэдуха, расположенные в теплообменник е 1 перпендикуляр но напр авл ению общего потока воздуха, В каналах 4 происходит испарительное охлаждение сте-, каемой вниз по стенкам каналов 4 пленки воды и вместе с тем охлаждение проходящего по каналам 3 общего потока воздуха.
Увплжненггый и повысивший свою энтальITHIt3 вспомогательный поток воздуха удаляется через выход 12 в атмосферу или может быть использован, например, для вентиляции вспомогательных помещений или охлаждения строится ьных огражденийй зданий. Ос н овной поток во здуха поступает из камеры 5 разделения воздушных потоков!3 теплообменник 2 прямого испарительного охлаждения, где воздух дополг3ггтельно охлаждается и унллжняется при постоянной энтальппи и одновременно обеспьливается, после чего обрлботаннь. и основной поток воздуха через выход 13 подается в псмещение. При необходимости уменьtttc!tttIt Ttoëoltoïðоиэводительности устро tet ITT по соответствующему сигналу дат икл температуры воздуха в помещении через блок управления (не показан) члст гчно прикрывается рег улиру- ° емый кллплн 7, что приводит к уменьttteI«t о расхода вспомогательного потока воздуха и снижению степени охлаждепи» общего потока воздуха в теплообменнике 1 косвенно-испаритепьного охлаждения. Одновременно с прикрытием
Р. гys!Itpyentoro к:глплнл 7 с испольэоваItItett рег улятора 14 глстоты вращения!
tot:;ãêëåтся число oборотов нлгнетлтеля 8 с обеспечением пропорционального.пш tt;t» расхода общего потока воздувели и:Itó уг:t нг»ггеttttя рлcxода
»еп..tc1t ttãp!I I ного пот кл воздуха.
1 срмуллиэобретения у.тройствс; для двухс гуггенчлтого исплрительного охлаждения воздуха, содержлщее i ос.гегго»л г егьпо p,lñ!TOIToженные по ходу воздуха орошаемые!30 пой т епл ообмон ники косвенно-ис гглрительногo и прямого исплрительногo ох лаждения воздуха, первый иэ которых имеет каналы общего и вспомоглтельного потоков воздуха, рлсположенную между теплообменниклми камеру ра зделени» воздушных потоков с перепускным каналом и рлзмещепным в нем регу1 ь яр уемым клапаном, наг вета тел ь с приводом, сообщеItttt ttt г3х
Составитель М. Ращепкин
Техред М.Ходанич Корректор С. Шекмар
Редактор М. Циткина
Тираж 663 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Заказ 4313/40
Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 рой, а выходом — с каналами общего потока воздуха, причем регулируемый клапан через блок управления подключен к датчику температуры воздуха в помещении и каналы вспомогательного потока воздуха сообщены с атмосферой, а теплообменник прямого испарительного охлаждения — с помещением, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения глубины охлаждения основного потока воздуха и снижения энергетических затрат, перепускной канал подключен к каналам вспомогательного потока воздуха, а привод нагнетатепя снабжен регулятором частоты вращения, подключенным к блоку управления.
Похожие патенты:
Для обслуживания отдельных небольших помещений или их групп удобны местные кондиционеры двухступенчатого испарительного охлаждения, осуществляемые на базе теплообменника косвенного испарительного охлаждения из алюминиевых накатных трубок (рис. 139). Воздух очищается в фильтре 1 и поступает к вентилятору 2, после нагнетательного отверстия которого делится на два потока - основной 3 и вспомогательный 6. Вспомогательный поток воздуха проходит внутри трубок теплообменника 14 косвенного испарительного охлаждения и обеспечивает испарительное охлаждение воды, стекающей по внутренним стенкам трубок. Основной поток воздуха проходит со стороны оребрения трубок теплообменника и отдает через их стенки тепло воде, охлаждаемой испарением. Рециркуляция воды в теплообменнике осуществляется при помощи насоса 4, который забирает воду из поддона 5 и подает ее на орошение через перфорированные трубки 15. Теплообменник косвенного испарительного охлаждения выполняет в совмещенных кондиционерах двухступенчатого испарительного охлаждения роль первой ступени.
Экология потребления. История создания кондиционера прямого испарительного охлаждения. Отличия прямого и косвенного охлаждения. Варианты применения кондиционеров испарительного типа
Охлаждение и увлажнение воздуха посредством испарительного охлаждения - это абсолютно естественный процесс, в котором вода используется как охлаждающая среда, а тепло эффективно рассеивается в атмосфере. Используются простые закономерности - при испарении жидкости происходит поглащение тепла или выделение холода. Эффективность испарения - увеличивается при увеличении скорости воздуха, что обеспечивает принудительная циркуляция вентилятора.
Температура сухого воздуха может быть существенно снижена с помощью фазового перехода жидкой воды в пар, и этот процесс требует значительно меньше энергии, чем компрессионное охлаждение. В очень сухом климате испарительное охлаждение имеет также то преимущество, что при кондиционировании воздуха увеличивает его влажность, и это создаёт больше комфорта для людей, находящихся в помещении. Однако, в отличие от парокомпрессионного охлаждения, оно требует постоянного источника воды, и в процессе эксплуатации постоянно её потребляет.
История развития
На протяжении веков цивилизации находили оригинальные методы борьбы со зноем на своих территориях. Ранняя форма охлаждающей системы, «ловец ветра», была изобретена много тысяч лет назад в Персии (Иран). Это была система ветряных валов на крыше, которые улавливали ветер, пропускали его через воду, и задували охлаждённый воздух во внутренние помещения. Примечательно, что многие из этих зданий также имели дворы с большими запасами воды, поэтому, если не было ветра, то в результате естественного процесса испарения воды горячий воздух, поднимаясь вверх, испарял воду во дворе, после чего уже охлажденный воздух проходил через здание. В наши дни Иран заменил ловцов ветра на испарительные охладители и широко их использует, а рынок за счет сухого климата - достигает оборота за год в 150.000 испарителей.
В США испарительный охладитель в двадцатом веке был объектом многочисленных патентов. Многие из которых, начиная с 1906г., предлагали использовать древесную стружку, как прокладку переносящую большое количество воды при контакте с движущимся воздухом, и поддерживающую интенсивное испарение. Стандартная конструкция, как показано в патенте 1945г., включает водяной резервуар (обычно оснащённый поплавковым клапаном для регулировки уровня), насос для циркуляции воды через прокладки из древесных стружек, и вентилятор для подачи воздуха через прокладки в жилые помещения. Эта конструкция и материалы остаются основными, в технологии испарительных охладителей, на юго-западе США. В этом регионе они дополнительно используются для увеличения влажности.
Испарительное охлаждение было распространено в авиационных двигателях 1930-х годов, например, в двигателе для дирижабля Beardmore Tornado. Эта система была использована для уменьшения или полного исключения радиатора, который в ином случае мог бы создать существенное аэродинамическое сопротивление. В этих системах вода в двигателе поддерживалась под давлением с помощью насосов, позволявших ей нагреваться до температуры более 100°C, поскольку фактическая точка кипения зависит от давления. Перегретая вода распылялась через сопло на открытую трубу, где мгновенно испарялась, принимая её тепло. Эти трубы могли быть расположены под поверхностью самолёта для создания нулевого сопротивления.
Внешние приборы испарительного охлаждения устанавливались на некоторые автомобили для охлаждения салона. Зачастую они продавались как дополнительные аксессуары. Использование приборов испарительного охлаждения в автомобилях продолжалось до тех пор, пока не приобрело широкое распространение парокомпрессионное кондиционирование воздуха.
Принцип испарительного охлаждения отличается от того, на котором работают аппараты парокомпрессионного охлаждения, хотя они также требуют испарения (испарение является частью системы). В парокомпрессионном цикле, после испарения хладагента внутри испарительного змеевика, охлаждающий газ сжимается и охлаждается, под давлением конденсируясь в жидкое состояние. В отличие от этого цикла, в испарительном охладителе вода испаряется только один раз. Испарённая вода в охладительном приборе выводится в пространство с охлажденным воздухом. В градирне испарившаяся вода уносится потоком воздуха.
Варианты применения испарительного охлаждения
Различают испарительное охлаждение воздуха прямое, косое, и двухступенчатое (прямое и косвенное). Прямое испарительное охлаждение воздуха основано на изоэнтальпийном процессе и используется в кондиционерах в холодное время года; в теплое время оно возможно лишь при отсутствии или незначительных влаговыделениях в помещении и низком влагосодержании наружного воздуха. Несколько расширяет границы его применения байпасирование камеры орошения.
Прямое испарительное охлаждение воздуха целесообразно в условиях сухого и жаркого климата в приточной системе вентиляции.
Косвенное испарительное охлаждение воздуха осуществляется в поверхностных воздухоохладителях. Для охлаждения воды, циркулирующей в поверхностном теплообменнике, используют вспомогательный контактный аппарат (градирню). Для косвенного испарительного охлаждения воздуха можно использовать аппараты совмещенного типа, в которых теплообменник выполняет одновременно обе функции - нагрев и охлаждение. Такие аппараты аналогичны воздушным рекуперативным теплообменникам.
По одной группе каналов проходит охлаждаемый воздух, внутренняя поверхность второй группы орошается водой, стекающей в поддон, а затем вновь разбрызгиваемой. При контакте с проходящим во второй группе каналов выбросным воздухом происходит испарительное охлаждение воды, в результате чего воздух в первой группе каналов охлаждается. Косвенное испарительное охлаждение воздуха позволяет снизить производительность системы кондиционирования воэдуха по сравнению с ее производительностью при прямом испарительном охлаждении воздуха и расширяет возможности использования этого принципа, т.к. влагосодержание приточного воздуха во втором случае меньше.
При двухступенчатом испарительном охлаждении воздуха используют последовательное косвенное и прямое испарительное охлаждение воздуха в кондиционере. При этом установку для косвенного испарительного охлаждения воздуха дополняют оросительной форсуночной камерой, работающей в режиме прямого испарительного охлаждения. Типовые оросительные форсуночные камеры используют в системах испарительного охлаждения воздуха как градирни. Помимо одноступенчатого косвенного испарительного охлаждение воздуха возможно многоступенчатое, в котором осуществляется более глубокое охлаждение воздуха, - это так называемая бескомпрессорная система кондиционирования воэдуха.
Прямое испарительное охлаждение (открытый цикл) используется для снижения температуры воздуха с помощью удельной теплоты испарения, изменяя жидкое состояние воды на газообразное. В этом процессе энергия в воздухе не меняется. Сухой, тёплый воздух заменяется на прохладный и влажный. Тепло внешнего воздуха используется для испарения воды.
Непрямое испарительное охлаждение (закрытый цикл) процесс похожий на прямое испарительное охлаждение, но использующий определённый тип теплообменника. В этом случае влажный, охлаждённый воздух не контактирует с кондиционируемой средой.
Двухстадийное испарительное охлаждение, или непрямое/прямое .
Традиционные испарительные охладители используют только часть энергии необходимой аппаратам парокомпрессионного охлаждения или системам адсорбционного кондиционирования. К сожалению, они повышают влажность воздуха до дискомфортного уровня (за исключением очень сухих климатических зон). Двухстадийные испарительные охладители не повышают уровень влажности настолько, насколько это делают стандартные одноступенчатые испарительные охладители.
На первой стадии двухстадийного охладителя, тёплый воздух охлаждается непрямым путём без увеличения влажности (с помощью прохождения через теплообменник, охлаждаемый испарением снаружи). В прямой стадии предварительно охлаждённый воздух проходит через пропитанную водой прокладку, дополнительно охлаждается и становится более влажным. Поскольку в процесс включена первая, предохлаждающая стадия, на стадии прямого испарения необходимо меньше влажности для достижения требуемых температур. В результате, по словам производителей, процесс охлаждает воздух с относительной влажностью в пределах 50 - 70 %, в зависимости от климата. Для сравнения традиционные системы охлаждения повышают влажность воздуха до 70 - 80 %.
Назначение
При проектировании центральной приточной системы вентиляции возможно оснастить воздухозабор испарительной секцией и так существенно снизить затраты на охлаждение воздуха в теплый период года.
В холодный и переходной периоды года, при нагреве воздуха приточными калориферами систем вентиляции или воздуха внутри помещения системами отопления - воздух нагревается и растет его физическая возможность ассимилировать (впитать) в себя, при увеличении температуры - влагу. Или, чем выше температура воздуха - тем больше влаги он может в себя ассимилировать. Например, при нагреве наружного воздуха калорифером системой вентиляции с температуры -22 0 С и влажности 86% (параметр наружного воздуха для ХП г.Киева), до +20 0 С - влажность падает ниже граничных пределов для биологических организмов до недопустимых 5-8% влажности воздуха. Низкая влажность воздуха - негативно влияет на кожу и слизистые оболочки человека, особенно больных астмой или легочными заболеваниями. Нормированная для жилых и административных помещений влажность воздуха: от 30 до 60%.
Испарительное охлаждение воздуха сопровождается выделением влаги или увеличения влажности воздуха, до высокого насыщения влажности воздуха 60-70%.
Преимущества
Объем испарения – и, соответственно, теплоперенос – зависит от температуры наружного воздуха по мокрому термометру которая, особенно летом, намного ниже, чем эквивалентная температура по сухому термометру. Например, в жаркие летние дни, когда температура по сухому термометру превышает 40°C, испарительное охлаждение может охладить воду до 25°C или охлаждать воздух.
Поскольку испарение удаляет намного больше тепла, чем стандартный физический теплоперенос, для теплопереноса используется в четыре раза меньший расход воздуха по сравнению с обычными методами охлаждения воздуха, что сохраняет значительное количество энергии.
Испарительное охлаждение в сравнении с традиционными способами кондиционирования воздуха В отличие от других видов кондиционирования воздуха охлаждение воздуха испарительного типа (био-охлаждение) не использует в качестве хладагентов вредные газы (фреон и другие), которые наносят вред окружающей среде. Оно также потребляет меньше электричества, экономя таким образом электроэнергию, природные ресурсы и до 80 % эксплутационных затрат по сравнению с кондиционированием воздуха другими системами.
Недостатки
Низкая эффективность работы во влажном климате.
Повышение влажности воздуха, что в некоторых случаях нежелательно - выход двухстадийное испарение, где воздух не контактирует и не насыщается влагой.
Принцип работы (вариант 1)
Процесс охлаждения осуществляется за счет тесного контакта вода и воздуха, и переноса тепла в воздух путем испарения небольшого количества воды. Далее тепло рассеивается через выходящий из установки теплый и насыщенный влагой воздух.
Принцип работы (вариант 2) - установка на воздухозаборе
Установки испарительного охлаждения
Существуют различные типы установок для испарительного охлаждения, но все они имеют:
- секцию теплообмена или теплопереноса, постоянно смачиваемую водой методом орошения,
- систему вентиляторов для принудительной циркуляции наружного воздуха через секцию теплообмена,
В современной климатической технике большое внимание уделяется энергоэффективности оборудования. Этим объясняется возросший в последнее время интерес к водоиспарительным системам охлаждения на основе косвенно-испарительных теплообменных аппаратов (косвенно-испарительные системы охлаждения). Водоиспарительные системы охлаждения могут оказаться эффективным решением для многих регионов нашей страны, климат которых отличается относительно низкой влажностью воздуха. Вода как хладагент уникальна — она обладает большой теплоемкостью и скрытой теплотой парообразования, безвредна и доступна. Кроме того, вода хорошо изучена, что позволяет достаточно точно предсказывать ее поведение в различных технических системах.
Особенности систем охлаждения с косвенно-испарительными теплообменниками
Главной особенностью и преимуществом косвенно-испарительных систем является возможность охлаждения воздуха до температуры ниже температуры мокрого термометра. Так, технология обычного испарительного охлаждения (в увлажнителях адиабатного типа), когда в поток воздуха впрыскивается вода, не только понижает температуру воздуха, но и увеличивает его влагосодержание. При этом линия процесса на I d-диаграмме влажного воздуха идет по адиабате, а минимально возможная температура соответствует точке «2» (рис. 1).В косвенно-испарительных же системах воздух может быть охлажден до точки «3» (рис. 1). Процесс на диаграмме в данном случае идет вертикально вниз по линии постоянного влагосодержания. В результате получаемая температура оказывается ниже, а влагосодержание воздуха не растет (остается постоянным).
Кроме того, водоиспарительные системы обладают следующими положительными качествами:
- Возможность совместного получения охлажденного воздуха и холодной воды.
- Малое энергопотребление. Основными потребителями электроэнергии являются вентиляторы и водяные насосы.
- Высокая надежность, обусловленная отсутствием сложных машин и использованием неагрессивного рабочего тела — воды.
- Экологическая чистота: низкий уровень шума и вибраций, неагрессивное рабочее тело, малая экологическая вредность промышленного производства системы в силу малой трудоемкости изготовления.
- Простота конструктивного исполнения и относительно низкая стоимость, связанные с отсутствием жестких требований к герметичности системы и ее отдельных узлов, отсутствием сложных и дорогих машин (холодильных компрессоров), малыми избыточными давлениями в цикле, низкой металлоемкостью и возможностью широкого использования пластмасс.
Системы охлаждения, использующие эффект поглощения теплоты при испарении воды, известны очень давно. Однако на данный момент водоиспарительные системы охлаждения распространены недостаточно широко. Практически вся ниша промышленных и бытовых систем охлаждения в области умеренных температур заполнена хладоновыми парокомпрессионными системами.
Такая ситуация, очевидно, связана с проблемами эксплуатации водоиспарительных систем при отрицательных температурах и их непригодностью к эксплуатации при высокой относительной влажности наружного воздуха. Сказалось и то, что основные аппараты подобных систем (градирни, теплообменники), использовавшиеся ранее, обладали большими габаритами, массой и другими недостатками, связанными с работой в условиях высокой влажности. Кроме того, им требовалась система водоподготовки.
Однако сегодня благодаря техническому прогрессу получили распространение высокоэффективные и компактные градирни, способные охладить воду до температур, всего на 0,8 … 1,0° С отличающихся от температуры входящего в градирню воздушного потока по мокрому термометру.
Здесь особым образом следует отметить градирни компаний Muntes и SRH-Lauer . Такой малый температурный напор удалось обеспечить главным образом за счет оригинальной конструкции насадки градирни, обладающей уникальными свойствами — хорошей смачиваемостью, технологичностью, компактностью.
Описание системы косвенно-испарительного охлаждения
В системе косвенно-испарительного охлаждения атмосферный воздух из окружающей среды с параметрами, соответствующими точке «0» (рис. 4), нагнетается вентилятором в систему и охлаждается при постоянном влагосодержании в косвенно-испарительном теплообменнике.После теплообменника основной поток воздуха разделяется на два: вспомогательный и рабочий, направляемый к потребителю.
Вспомогательный поток одновременно играет роль и охладителя, и охлаждаемого потока — после теплообменника он направляется обратно, навстречу основному потоку (рис. 2).
При этом в каналы вспомогательного потока подается вода. Смысл подачи воды заключается в «замедлении» роста температуры воздуха за счет параллельного его увлажнения: как известно, одного и того же изменения тепловой энергии можно достичь как изменением только температуры, так и изменением температуры и влажности одновременно. Поэтому при увлажнении вспомогательного потока тот же обмен теплом достигается меньшим изменением температуры.
В косвенно-испарительных теплообменниках другого вида (рис. 3) вспомогательный поток направляется не в теплообменник, а в градирню, где охлаждает воду, циркулирующую через косвенно-испарительный теплообменник: вода нагревается в нем за счет основного потока и остывает в градирне за счет вспомогательного. Перемещение воды по контуру осуществляется с помощью циркуляционного насоса.
Расчет косвенно-испарительного теплообменника
Для того чтобы рассчитать цикл косвенно-испарительной системы охлаждения с циркулирующей водой, необходимы следующие исходные данные:- φ ос — относительная влажность воздуха окружающей среды, %;
- t ос — температура воздуха окружающей среды, ° С;
- ∆t х — разность температур на холодном конце теплообменника, ° С;
- ∆t m — разность температур на теплом конце теплообменника, ° С;
- ∆t wгр — разность между температурой воды, выходящей из градирни, и температурой подаваемого в нее воздуха по мокрому термометру, ° С;
- ∆t min — минимальная разность температур (температурный напор) между потоками в градирне (∆t min <∆t wгр), ° С;
- G р — требуемый потребителем массовый расход воздуха, кг/с;
- η в — КПД вентилятора;
- ∆P в — потеря давления в аппаратах и магистралях системы (требуемый напор вентилятора), Па.
Методика расчета основана на следующих допущениях:
- Процессы тепло-массообмена приняты равновесными,
- На всех участках системы отсутствуют внешние теплопритоки,
- Давление воздуха в системе равно атмосферному (локальные изменения давления воздуха вследствие его нагнетания вентилятором или прохождения через аэродинамические сопротивления пренебрежимо малы, что позволяет использовать I d диаграмму влажного воздуха для атмосферного давления на всем протяжении расчета системы).
Порядок инженерного расчета рассматриваемой системы заключается в следующем (рисунок 4):
1. По I d диаграмме или с помощью программы расчета влажного воздуха определяются дополнительные параметры окружающего воздуха (точка «0» на рис. 4): удельная энтальпия воздуха i 0 , Дж/кг и влагосодержание d 0 , кг/кг.
2. Приращение удельной энтальпии воздуха в вентиляторе (Дж/кг) зависит от типа вентилятора. Если электродвигатель вентилятора не обдувается (не охлаждается) основным потоком воздуха, тогда:
Если в схеме используется вентилятор канального типа (когда электродвигатель охлаждается основным потоком воздуха), то:
где:
η дв — КПД электродвигателя;
ρ 0 — плотность воздуха на входе в вентилятор, кг/м 3
где:
B 0 — барометрическое давление окружающей среды, Па;
R в — газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/(кг.К).
3. Удельная энтальпия воздуха после вентилятора (точка «1»), Дж/кг.
i 1 = i 0 +∆i в; (3)
Поскольку процесс «0-1» происходит при постоянном влагосодержании (d 1 =d 0 =const), то по известным φ 0 , t 0 , i 0 , i 1 определяем температуру воздуха t1 после вентилятора (точка «1»).
4. Точка росы окружающего воздуха t рос, °С, определяется по известным φ 0 , t 0 .
5. Психрометрическая разность температур воздуха основного потока на выходе из теплообменника (точка «2») ∆t 2-4 , °С
∆t 2-4 =∆t x +∆t wгр; (4)
где:
∆t х назначается, исходя из конкретных условий работы в диапазоне ~ (0,5…5,0), °С. При этом следует иметь в виду, что малые значения ∆t х повлекут за собой относительно большие размеры теплообменного аппарата. Для обеспечения малых значений ∆t х необходимо использовать высокоэффективные теплопередающие поверхности;
∆t wгр выбирается в диапазоне (0,8…3,0), °С; меньшие значения ∆t wгр следует принимать в случае необходимости получения минимально возможной температуры холодной воды в градирне.
6. Принимаем, что процесс увлажнения вспомогательного воздушного потока в градирне от состояния «2-4», с достаточной точностью для инженерных расчетов, идет по линии i 2 =i 4 =const.
В этом случае, зная величину ∆t 2-4 , определяем температуры t 2 и t 4 , точек «2» и «4» соответственно, °С. Для этого найдем такую линию i=const, чтобы между точкой «2» и точкой «4» разность температур составляла найденную ∆t 2-4 . Точка «2» при этом находится на пересечении линий i 2 =i 4 =const и постоянного влагосодержания d 2 =d 1 =d ОС. Точка «4» находится на пересечении линии i 2 =i 4 =const и кривой φ 4 = 100 % относительной влажности.
Таким образом, используя приведенные диаграммы, определяем оставшиеся параметры в точках «2» и «4».
7. Определяем t 1w — температуру воды на выходе из градирни, в точке «1w», °С. В расчетах можно пренебречь нагревом воды в насосе, следовательно, на входе в теплообменник (точка «1w’») вода будет иметь ту же температуру t 1w
t 1w =t 4 +.∆t wгр; (5)
8. t 2w — температура воды после теплообменника на входе в градирню (точка «2w»), °С
t 2w =t 1 -.∆t m ; (6)
9. Температура воздуха, выбрасываемого из градирни в окружающую среду (точка «5») t 5 определяется графоаналитическим методом с использованием i d диаграммы (c большим удобством может быть использована совокупность Q t и i t-диаграмм, однако они менее распространены, поэтому в данном расчете использована i d диаграмма). Указанный метод заключается в следующем (рис. 5):
- точка «1w», характеризующая состояние воды на входе в косвенно-испарительный теплообменник, cо значением удельной энтальпии точки «4» помещается на изотерму t 1w , отстоящую от изотермы t 4 на расстоянии ∆t wгр.
- От точки «1w» вдоль изоэнтальпы откладываем отрезок «1w — p» так, чтобы t p = t 1w — ∆t min .
- Зная, что процесс нагрева воздуха в градирне происходит по φ=const=100 %, строим из точки «p» касательную к φ пр =1 и получаем точку касания «k».
- От точки касания «k» по изоэнтальпе (адиабате, i=const) откладываем отрезок «k — n» так, чтобы t n = t k + ∆t min . Таким образом, обеспечивается (назначается) минимальная разность температур между охлаждаемой водой и воздухом вспомогательного потока в градирне. Эта разность температур гарантирует работоспособность градирни в расчетном режиме.
- Проводим из точки «1w» через точку «n» прямую до пересечения с прямой t=const= t 2w . Получаем точку «2w».
- Из точки «2w» проводим прямую i=const до пересечения с φ пр =const=100%. Получаем точку «5», характеризующую состояние воздуха на выходе из градирни.
- По диаграмме определяем искомую температуру t5 и остальные параметры точки «5».
10. Составляем систему уравнений для нахождения неизвестных массовых расходов воздуха и воды. Тепловая нагрузка градирни по вспомогательному воздушному потоку, Вт:
Q гр =G в (i 5 - i 2) ; (7)
Q wгр =G ow C pw (t 2w - t 1w) ; (8)
где:
С pw — удельная теплоемкость воды, Дж/(кг.К).
Тепловая нагрузка теплообменника по основному воздушному потоку, Вт:
Q mo =G o (i 1 - i 2) ; (9)
Тепловая нагрузка теплообменника по водяному потоку, Вт:
Q wmo =G ow C pw (t 2w - t 1w) ; (10)
Материальный баланс по воздушным потокам:
G o =G в +G p ; (11)
Тепловой баланс по градирне:
Q гр =Q wгр; (12)
Тепловой баланс теплообменника в целом (количество переданной теплоты каждым из потоков одинаково):
Q wmo =Q mo ; (13)
Совместный тепловой баланс градирни и теплообменника по воде:
Q wгр =Q wmo ; (14)
11. Решая совместно уравнения с (7) по (14), получим следующие зависимости:
массовый расход воздуха по вспомогательному потоку, кг/с:
массовый расход воздуха по основному воздушному потоку, кг/с:
G o =G p ; (16)
Массовый расход воды через градирню по основному потоку, кг/с:
12. Количество воды, необходимое для подпитки водяного контура градирни, кг/с:
G wn =(d 5 -d 2)G в; (18)
13. Потребляемая мощность в цикле определяется мощностью, затрачиваемой на привод вентилятора, Вт:
N в =G o ∆i в; (19)
Таким образом, найдены все параметры, необходимые для конструктивных расчетов элементов системы косвенно-испарительного охлаждения воздуха.
Отметим, что подаваемый потребителю рабочий поток охлажденного воздуха (точка «2») может быть дополнительно охлажден, например, адиабатным увлажнением либо любым другим способом. В качестве примера на рис. 4 обозначена точка «3*», соответствующая адиабатному увлажнению. В этом случае точки «3*» и «4» совпадают (рис. 4).
Практические аспекты косвенно-испарительных систем охлаждения
Исходя из практики расчетов косвенно-испарительных систем охлаждения, следует заметить, что, как правило, расход вспомогательного потока составляет 30-70% от основного и зависит от потенциальной способности к охлаждению подаваемого в систему воздуха.Если сравнить охлаждение адиабатным и косвенно-испарительным методами, то из I d-диаграммы видно, что в первом случае воздух с температурой 28 °С и относительной влажностью 45% может быть охлажден до 19,5°С, в то время как во втором случае — до 15°С (рис. 6).
«Псевдокосвенное» испарение
Как уже говорилось выше, косвенно-испарительная система охлаждения позволяет добиться более низкой температуры, чем традиционная система адиабатного увлажнения воздуха. Немаловажно также подчеркнуть, что влагосодержание искомого воздуха не изменяется. Подобных преимуществ по сравнению с адиабатным увлажнением удается достигнуть за счет внедрения вспомогательного потока воздуха.
Практических применений системы косвенно-испарительного охлаждения на данный момент мало. Однако появились аппараты сходного, но несколько другого принципа действия: воздухо-воздушных теплообменных аппаратов с адиабатным увлажнением наружного воздуха (системы «псевдокосвенного» испарения, где вторым потоком в теплообменнике служит не некоторая увлажненная часть основного потока, а другой, абсолютно независимый контур).
Подобные устройства находят применение в системах с большим объемом рециркуляционного воздуха, нуждающегося в охлаждении: в системах кондиционирования воздуха поездов, зрительных залов различного назначения, центрах обработки данных и на других объектах.
Цель их внедрения — максимально возможное снижение длительности работы энергоемкого компрессорного холодильного оборудования. Вместо этого при наружных температурах вплоть до 25°С (а иногда и выше), используется воздухо-воздушный теплообменник, в котором рециркуляционный воздух помещения охлаждается наружным воздухом.
Для большей эффективности работы аппарата наружный воздух предварительно увлажняется. В более сложных системах увлажнение производится и в процессе теплообмена (впрыск воды в каналы теплообменника), чем достигается дополнительное повышение его эффективности.
Благодаря использованию таких решений текущее энергопотребление системы кондиционирования снижается на величину до 80%. Общегодовое энергопотребление зависит от климатического района эксплуатации системы, в среднем оно снижается на 30-60%.
Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»
В статье использована методика МГТУ им. Н. Э. Баумана для расчета косвенно-испарительной системы охлаждения.
Рассматриваемая система состоит из двух кондиционеров"
основного, в котором производится обработка воздуха для обслуживаемого помещения, и вспомогательного - градирни. Основное назначение градирни - воздушно-испарительное охлаждение воды, питающей первую ступень основного кондиционера в теплый период года (поверхностный теплообменник ПТ). Вторая ступень основного кондиционера - оросительная камера ОК, работающая в режиме адиабатического увлажнения, имеет обводной канал - байпас Б для регулирования влажности воздуха в помещении.
Кроме кондиционеров - градирен для охлаждения воды могут быть использованы промышленные градирни, фонтаны, брызгальные бассейны и т. п. В районах с жарким и влажным климатом в ряде случаев в дополнение к косвенному испарительному охлаждению используют машинное охлаждение.
системы многоступенчатого испарительного охлаждения. Теоретическим пределом охлаждения воздуха с использованием таких систем является температура точки росы.
Системы кондиционирования воздуха с применением прямого и косвенного испарительного охлаждения имеют более широкую область применения) по сравнению с системами, в которых используется только прямое (адиабатическое) испарительное охлаждение воздуха.
Двухступенчатое испарительное охлаждение, как известно, наиболее приемлемо в
районах с сухим и жарким климатом. При двухступенчатом охлаждении можно достигнуть более низких температур, меньших воздухообменов и меньшей относительной влажности воздуха в помещениях, чем при одноступенчатом охлаждении. Это свойство двухступенчатого охлаждения вызвало предложение о переходе целиком на косвенное охлаждение и ряд других предложений. Однако при всех прочих равных условиях эффект действия возможных систем испарительного охлаждения прямо зависит от изменений состояния наружного воздуха. Поэтому такие системы не всегда в течение сезона и даже одних суток обеспечивают поддержание требуемых параметров воздуха в кондиционируемых помещениях. Представление об условиях и границах целесообразного применения двухступенчатого испарительного охлаждения можно получить при сопоставлении нормируемых параметров внутреннего воздуха с возможными изменениями параметров наружного воздуха в районах с сухим и жарким климатом.
расчет таких систем следует выполнять с использованием J-d диаграммы в следующей последовательности.
На J-d диаграмме наносят точки с расчетными параметрами наружного (Н) и внутреннего (В) воздуха. В рассматриваемом примере по заданию на проектирование приняты значения: tн = 30 °С; tв = 24 °С; fв = 50 %.
Для точек Н и В определяем значение температуры мокрого термометра:
tмн = 19,72 °С; tмв = 17,0 °С.
Как видно, значение tмн почти на 3 °С выше, чем tмв, следовательно, для большего охлаждения воды, а затем наружного приточного воздуха, целесообразно подавать в градирню воздух, удаляемый вытяжными системами из офисных помещений.
Заметим, что при расчете градирни требуемый расход воздуха может оказаться больше удаляемого из кондиционируемых помещений. В этом случае в градирню надо подавать смесь наружного и удаляемого воздуха и в качестве расчетной принимать температуру мокрого термометра смеси.
Из расчетных компьютерных программ ведущих фирм – производителей градирен находим, что минимальный перепад между конечной температурой воды на выходе из градирни tw1 и температурой мокрого термометра tвм подаваемого в градирню воздуха следует принимать не менее 2 °С, то есть:
tw2 =tw1 +(2,5...3) °С. (1)
Для достижения более глубокого охлаждения воздуха в центральном кондиционере принимают конечную температуру воды на выходе из воздухоохладителя и на входе в градирню tw2 не более чем на 2,5 выше, чем на выходе из градирни, то есть:
tвк ≥ tw2 +(1...2) °С. (2)
Обратим внимание, что от температуры tw2 зависит конечная температура охлаждаемого воздуха и поверхность воздухоохладителя, так как при поперечном течении воздуха и воды конечная температура охлаждаемого воздуха не может быть ниже tw2.
Обычно конечную температуру охлаждаемого воздуха рекомендуется принимать на 1–2 °С выше конечной температуры воды на выходе из воздухоохладителя:
tвк ≥ tw2 +(1...2) °С. (3)
Таким образом, при выполнении требований (1, 2, 3) можно получить зависимость, связывающую температуру мокрого термометра воздуха, подаваемого в градирню, и конечную температуру воздуха на выходе из охладителя:
tвк =tвм +6 °С. (4)
Заметим, что в примере на рис. 7.14 приняты значения tвм = 19 °С и tw2 – tw1 = 4 °С. Но при таких исходных данных, вместо указанного в примере значения tвк = 23 °С, можно получить конечную температуру воздуха на выходе из воздухоохладителя не ниже 26–27 °С, что делает всю схему бессмысленной при tн = 28,5 °С.
