Раздел 2
Моделирование процессов совместного тепломассообмена в аппаратах испарительного
охлаждения
2.1. Новые схемные решения комбинированных испарительных охладителей
Испарительные охладители прямого и непрямого типа являются основой для
конструирования тепломассообменных аппаратов для систем кондиционирования
воздуха (СКВ) (рис. 2.1). В качестве испарителя используется, разработанный в
Одесской государственной академии холода и Одесском национальном
политехническом университете аппарат непрямого испарительного охлаждения НИО
[6-17, 26, 33, 37-38, 60, 78-83], решенный по совмещенной схеме в виде
многоканальной насадки с чередующимися «влажными» (взаимодействуют
вспомогательный воздушный поток и водяная пленка, рециркулирующая через
аппарат) и «сухими» каналами (основной воздушный поток, охлаждаемый при
неизменном влагосодержании) (рис. 2.2). НИО – пленочный тепломассообменный
аппарат поперечноточного типа. Количество испарившейся воды в рециркуляционном
водном контуре компенсируется подпиткой свежей водой 7. В результате
испарительного охлаждения воды во «влажных» каналах обеспечивается
бесконтактное охлаждение основного воздушного потока в «сухих» каналах НИО
через тонкую теплопроводную разделяющую эти каналы стенку. Естественным
пределом испарительного охлаждения в одноступенчатом НИО является температура
воздуха по мокрому термометру на входе в НИО.
На рисунке 2.3 представлена принципиальная схема комбинированного непрямого
испарительного охладителя в составе НИО – в качестве основной ступени и ПИО – в
качестве доводочной ступени. В разделе 3 настоящего исследования теоретически и
экспериментально рассмотрены возможности комбинированных охладителей,
составленных из многоступенчатых непрямых
испарительных охладителей НИО. Число таких ступеней не должно превышать трех,
поскольку дальнейший рост их числа приводит лишь к незначительному возрастанию
эффективности охладителя при существенном росте энергозатрат на реализацию
процесса. Несомненно полезным является включение в схемы охладителей
регенеративных теплообменников (см. рис. 2.1 Б,В), правда при этом следует
учитывать и рост сопутствующих энергозатрат. Как показали предварительные
исследования и работа американских исследователей [47], такой испарительный
охладитель представляет перспективный интерес для условий сухого и жаркого
климата. По имеющимся данным его эффективность несколько уступает
двухступенчатому испарительному охладителю, но последний требует и значительно
больших энергозатрат на организацию процесса. Особый интерес представляет
регенеративная схема обеспечивающая высокую эффективность процесса, но
отличающаяся большой энергоемкостью. Она представляет собой совместную работу
непрямого испарительного охладителя НИО (1) и теплообменника ТО 3 (см. рис. 2.1
Б). Если учесть, что регенеративная схема непрямого испарительного охладителя
потенциально может обеспечить охлаждение до температуры точки росы поступающего
в испарительный охладитель воздуха, то с учетом предварительного осушения его в
абсорбере, уровень охлаждения может быть весьма существенным.
Работа комбинированного испарительного охладителя КИО может быть организована
как по вентиляционной, так и по рециркуляционной схемам и в последнем случае
воздушный поток на входе в НИО является воздухом, покидающим кондиционируемое
помещение (см. рис. 2.1. Б).
Общим требованием к тепломассообменной аппаратуре (ТМА) для разрабатываемых
альтернативных систем является высокая интенсивность протекающих процессов при
малом аэродинамическом сопротивлении при транспорте рабочих веществ (воздушных
и жидкостных потоков), поскольку количество ТМА и теплообменников ТО,
используемых в системах, достаточно многочисленно. На основании существующего
многолетнего опыта по разработке (теория и эксперимент), производству и
эксплуатации ТМА [67, 87], выбран, в качестве основного универсального решения
для всех ТМА альтернативных систем, пленочный тип ТМА, обеспечивающий
раздельное движение потоков газа и жидкости при малом аэродинамическом
сопротивлении и поперечноточная схема контактирования потоков газа и жидкости,
как наиболее приемлемая в случае необходимости совместной компоновки
многочисленных ТМА и ТО в едином блоке аппаратуры. Поперечноточная схема
обеспечивает меньшее количество узлов поворотов потоков и меньшие значения
аэродинамического сопротивления Dр в сравнении с противоточной схемой
контактирования, поскольку для поперечного тока характерны более высокие
значения предельных скоростей движения газового потока в каналах насадки ТМА
[26, 28, 44, 46] (проблемы потери устойчивости течения, «захлебывания»
насадочной части аппаратов, выноса капель жидкости газовым потоком из рабочей
зоны и др. – см. экспериментальные результаты автора в разделе 3 настоящего
исследования).
Насадка пленочных поперечноточных ТМА (см. рис. 3.4.) образована
продольногофрированным (в направлении течения жидкостной пленки) тонкостенными
листами материала, расположенными эквидистантно друг другу. В качестве
основного метода интенсификации процессов совместного тепломассообмена в ТМА
используется регулярная шероховатость поверхности. Оптимальные значения
параметров шероховатости по данным многолетних экспериментальных и
теоретических исследований [26, 28, 44, 46]:
, (2.1)
где
р и е
шаг и высота ребер шероховатости оп