Совершенствование устройств тепловлажностной обработки воздуха и методов расчета климатехники

А. Г. Аверкин, А. И. Еремкин










СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА И МЕТОДОВ РАСЧЕТА КЛИМАТЕХНИКИ



Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия»

2019

УДК 697.9
ББК 38.762.3
      А19
















          Аверкин, А. Г.
А19          Совершенствование устройств тепловлажностной обработки воздуха и мето-
          дов расчета климатехники / А. Г. Аверкин, А. И. Еремкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 168 с. : ил., табл.
              ISBN 978-5-9729-0385-6

       Показаны современные способы создания и поддержания комфортного искусственного микроклимата помещений с учетом требований ресурсо- и энергосбережения. Предложен ряд инновационных разработок для систем кондиционирования воздуха, даны методы соответствующих расчетов.
       Для специалистов в области климатехники, а также студентов, аспирантов и преподавателей строительных направлений подготовки.

УДК 697.9
ББК 38.762.3












ISBN 978-5-9729-0385-6

© Аверкин А. Г., Еремкин А. И., 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ


 ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ....................................5

 ПРЕДИСЛОВИЕ..........................................................9

 ВВЕДЕНИЕ............................................................10

 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ
 ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА...................................................11
     1.1. Способы тепловлажностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования.............................................11
     1.2. Контактные аппараты для обработки воздуха водой............17
     1.3. Физико-математические модели процессов тепломассопереноса в аппаратах контактного типа.....................................24
     1.4. Оценка эффективности работы контактных аппаратов тепловлажностной обработки воздуха................................................27
     1.5. Физико-математические модели процессов тепломассопереноса в поверхностных теплообменниках систем кондиционирования воздуха и методы их расчета..............................................29
     1.6. Способы и оборудование для утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха...............................................35
     1.7. Оценка эффективности работы утилизаторов теплоты удаляемого воздуха..46

 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА........................48
     2.1. Разработка инженерной методики расчета температуры воздуха по мокрому термометру............................................48
     2.2. Разработка методики расчета контактных устройств при обработке воздуха водой на основе числа единиц переноса............................52
     2.3. Методика косвенной оценки определяющего линейного размера капель распыляемой воды (эффективного диаметра) механическими форсунками в потоке воздуха................................................58
     2.4. Разработка методики расчета осушителей воздуха на основе твердых сорбентов .......................................................59
     2.5. Разработка программного обеспечения для расчета процессов тепловлажностной обработки воздуха...............................65

 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА ВОДОЙ....................................68
     3.1. Разработка универсального лабораторного стенда для проведения экспериментальных исследований процессов.........................68
     3.2. Разработка и исследование эффективных распылителей воды в воздушных потоках..........................................................72
     3.3. Разработка и исследование контактных устройств тепловлажностной обработки воздуха на основе энергосберегающей технологии.........81
     3.4. Разработка и исследование способа глубокого охлаждения воздуха водой.88
     3.5. Разработка и исследование эффективного оборудования для оборотного водоснабжения в системах кондиционирования......................92


3

4. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ
 ДЛЯ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ СОРБЕНТОВ.......................102
     4.1. Исследование адсорбционных процессов для осушения воздуха.102
     4.2. Теоретические исследования процесса тепломассообмена в осушителе воздуха на твердом сорбенте....................................108
     4.3. Разработка и исследование работы кондиционера круглогодичного действия на основе адсорбционного осушения и многоступенчатого косвенно-испарительного охлаждения воздуха......................121
     4.4. Разработка процессов и оборудования для утилизации теплоты удаляемого воздуха из помещений...........................................128
     4.5. Экспериментальные исследования тепловлажностной обработки воздуха на основе применения электроактивированных жидких сред.........135
       4.5.1. Теоретические исследования и оценка эффективности электрохимической активации жидких сред......................135
       4.5.2. Теоретические и экспериментальные исследования влияния электроактивированных жидких сред на бактерицидные свойства воздуха......................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................149

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................150

Приложение 1. Конструктивный расчет осушителя кондиционера..........157

 Приложение 2. Конструктивный расчет адсорбера-теплообменника узла утилизации теплоты удаляемого воздуха из помещений на основе твердых сорбентов ..........................................................161


4

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

     t - температура воздуха, °C;
     e - абсолютная влажность воздуха, кг/м³;
     <р - относительная влажность воздуха, %;
     d - влагосодержание воздуха, г/кг;
     I - энтальпия, кДж/кг;
     р - давление, Па;
     V- объем, м³;
     G - массовый расход, кг/с;
     L - объемный расход, м³/с;
     R - газовая постоянная, Дж/(кг-К);
     T - температура, К;
     р - плотность, кг/м³;
     с - удельная теплоемкость, кДж/(кг-К);
     Q - тепловой поток, Вт;
     q - удельный тепловой поток, Вт/м²;
     W - массовый расход конденсата (воды), кг/с;
     F - площадь, м²;
     f - площадь криволинейной трапеции, квадратные единицы;
     а - коэффициент температуропроводности, м²/с;
     8 - толщина, м;
     X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);
     а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К);
     Р - коэффициент массоотдачи, м/с;
     К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);
     т - время (продолжительность), с;
     D - коэффициент диффузии, м²/с (или диаметр, м);
     H - высота, м;
     А, а, В, b s, С, m, Р, и - коэффициенты;
     Li - динамический коэффициент вязкости, Па-с (коэффициент орошения);
     v - кинематический коэффициент вязкости, м²/с;
     r - удельная теплота парообразования, Дж/кг;

5

     l - линейный размер, м;
     w - линейная скорость среды, м/с;
     о - поверхностное натяжение, н/м;
     Д - разность (приращение);
     Е - сумма;
     0 - показатель эффективности;
     Е - коэффициент эффективности;
     N (n) - число единиц переноса;
     Y - выходной параметр (функция отклика);
     X - фактор;
     М - масштаб;
     h - показание прибора;
     (ед. дв. силы) - единица движущей силы;
     pH - водородный показатель среды;
     Eh - окислительно-восстановительный потенциал (редокс потенциал);
     ГПИ - государственный проектный институт;
     ДЭС - двойной электрический слой;
     КОЕ - колониеобразующие единицы;
     NTU, ЧЕП - число единиц переноса;
     ПФЭ - полный факторный эксперимент;
     Аатабл (f 2; f) - табличный критерий Фишера при уровне значимости а и числе степеней свободы f>, f,;
     Аардасч - расчетный критерий адекватности;
     СРТ - средняя разность температур;
     СУПТ - система утилизации теплоты с промежуточным теплоносителем;
     ТВОВ-СК - тепловлажностная обработка воздуха в системах кондиционирования;
     ТМО - тепломассообмен;
     УБС - установка для создания бактерицидных воздушных сред;
     ФЭТ - форсунка эжекционного типа;
     ЭАС - электроактивированная среда;
     ЭХА - электрохимическая активация.

6

Критерии подобия
    Nu, Nn' - соответственно, критерий Нуссельта для теплового и диффузионного процесса;
    Re - критерий Рейнольдса;
    Pr, Pr' - соответственно, критерий Прандтля для теплового и диффузионного процесса;
   Gu - критерий Гухмана;
   Eu - критерий Эйлера;
   Fo - критерий Фурье.
Индексы
   Нижние:
   с - показания сухого термометра;
   м - показания мокрого термометра;
   мн - показания мокрого термометра для наружного воздуха;
   р - точка росы;
   н - насыщенное состояние (также начальное состояние);
   о - объемный;
   к - конечное состояние;
   р - равновесное состояние;
   п - парциальный;
   w - водяная фаза;
   i - итая точка;
   f - поверхность (поверхностный параметр);
   б - барометрический (или больший);
   с.в. - сухой воздух;
   в.в. - влажный воздух;
   в.п. - водяные пары;
   вн - начальные параметры воздуха;
   вк - конечные параметры воздуха;
   хол. - холод;
   max - максимальное значение;
   min - минимальное значение;
   ср - средний;

7

    п - поверхность;
    пол - полный (-ая);
    в - внутренний (1);
    г - горловина;
    m - молярный;
    ф - форсунка;
    э - эжекция (или эквивалентный);
    я - явный (-ая);
    тр - требуемое значение величины;
    р - располагаемое значение величины;
    т - твердый (-ая)
    у - удаляемый;
    ут - утилизатор;
    ост - остаточный;
    d - динамический;
    wk - конечный параметр жидкости;
    wh - начальный параметр жидкости;
    ж - параметр для жидкости;
    ст - стенка;
    Верхние:
    * - равновесное значение;
    отд - отдающий;
    изв - извлекающий.
Примечание. Не указанные условные обозначения расшифрованы в тексте.

8

ПРЕДИСЛОВИЕ


      Выполнение Федеральной программы по модернизации и внедрению инновационных технологий в промышленное производство требует повышения эффективности работы оборудования. Это может быть достигнуто путем совершенствования технологических процессов, разработки современных методов расчета для конструирования технических систем, создания и внедрения современных средств контроля и регулирования необходимых параметров с учетом, в первую очередь, отечественных, а также зарубежных научнотехнических разработок на основе ресурсо- и энергосбережения.
      Реализация инновационных технологий связана с созданием искусственного микроклимата помещений, т. е. обеспечения и поддержания требуемых технологических параметров воздушной среды в производственном цикле. На это ежегодно затрачивается до 40 % энергоресурсов, получаемых в стране [2].
      Необходимые параметры микроклимата обеспечивают инженерные системы, среди которых важная роль принадлежит центральным системам кондиционирования воздуха (СКВ), они также создают комфортные условия для обслуживающего персонала, т. е. оптимальные параметры внутреннего воздуха.
      Современные системы кондиционирования воздуха характеризуются высокой материалоемкостью, повышенной энергоемкостью, большой стоимостью.
      Развитие научных основ, направленных на совершенствование тепловлажностных устройств СКВ и снижение потребления количества тепловой и электрической энергии, неразрывно связано с разработкой и совершенствованием методов их расчета. Необходим системный подход при решении этой важной актуальной технической проблемы. Ее решение позволит улучшить технико-экономические показатели при создании современных высокоэффективных устройств в СКВ для обеспечения необходимого микроклимата в помещении.
      В соответствии с этой концепцией целью данной монографии является ознакомление специалистов в области климатехники с некоторыми инновационными технологиями для тепловлажностной обработки воздуха.
      Книга состоит из предисловия, введения, 4 разделов, заключения, списка обозначений и сокращений, библиографического списка, приложений.
      Все критические замечания и пожелания, высказанные коллегами и читателями, по данной книге авторы примут с благодарностью.
      Свои отзывы и замечания просим направлять по адресу:
      440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, 28, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства.

9

ВВЕДЕНИЕ


      Проблема модернизации современных систем кондиционирования воздуха предусматривает совершенствование конструкций основных устройств для тепловлажностной обработки воздуха на стадии увлажнения, охлаждения, утилизации теплоты воздушного потока, создание современной методологии их расчета.
      Реализации данного направления посвящены научные исследования, которые представлены в настоящей книге.
      Инновационными технологиями для тепловлажностной обработки воздуха являются:
     -  разработка и научное обоснование конструкций контактных устройств роторного типа, работающих по прямоточной схеме или по схеме с рециркуляцией воздуха;
     -  разработка и научное обоснование конструкции кондиционера круглогодичного действия без применения традиционной холодильной машины и способа его монтажа;
     -  разработка и научное обоснование конструкции компактной градирни с косвенноиспарительным охлаждением воздуха для получения воды с температурой ниже температуры мокрого термометра воздуха и математическая модель ее процесса;
     -  новый способ утилизации низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха из помещений на основе твердого сорбента, который позволяет существенно повысить теплосъем по сравнению с традиционными методами из-за возможности утилизации всей скрытой теплоты водяных паров, содержащихся в удаляемом воздухе;
     -  новые теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные методики определения числа единиц переноса для различных режимов тепловлажностной обработки воздуха (адиабатического, политропического) на основе I-d-диаграммы влажного воздуха, позволяющие определять необходимую поверхность для реализации как теплообменных, так массообменных процессов в контактных аппаратах;
     -  метод оценки определяющего линейного размера капель воды (эффективного диаметра), распыляемой в потоке воздуха механическими форсунками;
     -  разработка алгоритма расчета поверхности тепло-массообмена при обработке воздуха водой в контактном аппарате;
     -  методика расчета контактных устройств для осушения воздуха на основе твердых сорбентов, с применением модифицированной I-d- диаграммы влажного воздуха;
      Научные исследования проводились с применением современных математических методов планирования и обработки экспериментальных данных, с получением соответствующих математических моделей, и последующей их оптимизацией. В экспериментальных исследованиях применялись методы численного эксперимента, итерационный метод.

10

1.  АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР УСТРОЙСТВ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА

1.1. Способы тепловлажностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования


      Для обеспечения требуемого микроклимата в помещении создают и поддерживают определенный тепловой, воздушный и влажностный режимы при помощи инженерных систем: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха [29, 54—57, 66, 79, 87, 91-93, 95, 100, 104, 108, 117, 129].
      В системах вентиляции и кондиционирования тепловлажностную обработку воздуха осуществляют в теплообменных устройствах поверхностного и контактного типа [2, 19, 21, 23, 27, 40, 55, 105].
      Контактный аппарат применяют для реализации тепло-массообменных процессов: осушение и охлаждение воздуха, охлаждение и увлажнение воздуха, в том числе адиабатическое, изотермическое и др. [4, 57, 112-116].
      Физическая сущность тепловлажностной обработки воздуха в контактном аппарате зависит от соотношения температуры водяной фазы tw и температуры воздуха по сухому термометру t, температуры воздуха по мокрому термометру t м, температуры точки росы воздуха t р [106].
      Движущей силой в рассматриваемых процессах являются температурный градиент (потенциал температуры) и градиент парциальных давлений водяных паров (потенциал влажности) [22, 95].
      Возможные направления процессов взаимодействия воздуха и воды наглядно представлены графически на I- d-диаграмме влажного воздуха в области криволинейного треугольника 1В 7 в виде прямых отрезков (рис. 1.1) [21, 79].

Рис. 1.1. Процессы тепломассообмена между воздухом и водой

      Здесь одной стороной является кривая ф = 100 %, двумя другими - касательные к этой кривой.
      Рассмотрим физический смысл отрезков:
     -  процесс В1 - охлаждение и осушение воздуха происходит при tw < tр ; воздух отдает теплоту воде, его температура снижается, процесс сопровождается конденсацией водяных паров, содержащихся в воздухе;


11

     -  процесс В2 - сухое охлаждение воздуха происходит при tw = tр; температура влажного воздуха уменьшается за счет отбора теплоты водой при постоянном влагосодержании;
     -  процесс В3 - охлаждение и увлажнение воздуха происходит при tр < tw < tм ; теплота, отдаваемая воздухом воде, частично расходуется на испарение воды.
      В процессах 1, 2, 3 воздух обрабатывается холодной водой tw < tм.
     -  процесс В4 - адиабатическое охлаждение и увлажнение воздуха происходит при tw = tм; воздух охлаждается до tм, его энтальпия не изменяется, т.к. теплота, теряемая воздухом при теплообмене с охлаждающей его водой, возвращается в воздух вместе с испарившейся влагой (водяными парами);
     -  процесс В5 - охлаждение и увлажнение воздуха происходит при tм < tw < tс; температура воздуха понижается, а энтальпия и влагосодержание воздуха увеличиваются;
     -  процесс В6 - изотермическое увлажнение воздуха происходит при tw = tc, на испарение расходуется теплота воды;
     -  процесс В7 - нагрев и увлажнение воздуха происходит при tw > tс, теплота воды расходуется на нагрев воздуха и образование водяных паров.
      В холодный период года контактный аппарат, как правило, работает в режиме адиабатического увлажнения воздуха (процесс В4, рис. 1.1). Для обеспечения температурного режима tw = tм воду закольцовывают в контактном аппарате, т. е. применяют её рецирку

ляцию в потоке воздуха.
      В теплый период года контактный аппарат рекомендуется использовать для осушения и охлаждения наружного воздуха. Для получения холодной воды с температурой tw < tр применяют холодильные машины - чиллеры [19, 21].
      Наибольшее практическое значение имеют процессы В1 и В4 (рис. 1.1).
      Рассмотрим процессы переноса теплоты и массы на элементе поверхности контакта dF между воздухом и водой в режиме охлаждения и осушения воздуха (процесс В1, рис. 1.1).
      Наличие температурного потенциала А/ = t - tw вызовет поток теплоты от воздуха к воде dQ я, т. е. понижение температуры воздуха на dt, °C (рис. 1.2) [54].

а)                                 б)
Рис. 1.2. Изменение температурного потенциала (а) и влажностного потенциала (б) рабочих сред в контактном аппарате

при охлаждении и осушении воздуха

12