A, UNÎVERSUM:
№ 12 (129)_ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_декабрь. 2024 г.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОКЛИМАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ГЕНЕРАТОРА ТУМАНА
Радкевич Мария Викторовна
д-р тенх. наук, профессор, Национальный исследовательский университет Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: maria7878@mail.ru
Шипилова Камила Бахтияровна
PhD, доцент,
Национальный исследовательский университет Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: kamila-shipilova@mail.ru
Аширова Ольга Александровна
PhD, докторант, Национальный исследовательский университет Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: olgaalexandrovnaa@yandex.com
Раззаков Руслан Ишкулович
PhD, ст. преподаватель, Национальный исследовательский университет «Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства», Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: ruslan. ishqulovich@gmail.com
EXPERIMENTAL STUDY OF MICROCLIMATE USING ULTRASONIC MIST GENERATOR
Maria Radkevich
Doctor of Technical Sciences, Professor, National Research University Tashkent Institute of Irrigation and Agricultural Mechanization Engineers,
Uzbekistan, Tashkent
Kamila Shipilova
PhD, Associate Professor, National Research University Tashkent Institute of Irrigation and Agricultural Mechanization Engineers,
Uzbekistan, Tashkent
Olga Ashirova
PhD, doctoral student, National Research University Tashkent Institute of Irrigation and Agricultural Mechanization Engineers,
Uzbekistan, Tashkent
Ruslan Razzakov
PhD, Senior lecturer, National Research University Tashkent Institute of Irrigation and Agricultural Mechanization Engineers,
Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОКЛИМАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ГЕНЕРАТОРА ТУМАНА // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Радкевич М.В. [и др.]. 2024. 12(129). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18880
A UNIVERSUM:
№ 12 (129)_¿Л ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_декабрь. 2024 г.
АННОТАЦИЯ
В статье рассматривается экспериментальное исследование применения ультразвукового генератора тумана для создания оптимальных условий микроклимата в помещениях. Оценивается влияние генератора на уровень температуры и влажности на различных высотах и расстояниях. Результаты показали, что использование устройства позволяет снизить температуру до 24-25 °C, что создает комфортные условия. Рекомендуется использовать закрытые ёмкости с направляющими вентиляторами для повышения эффективности распределения тумана и достижения желаемых параметров микроклимата. Также подчеркивается необходимость дальнейших исследований для оптимизации применения технологии в различных областях, включая сельское хозяйство и промышленность.
ABSTRACT
This article presents an experimental study on the use of ultrasonic fog generators to create optimal microclimate conditions within indoor spaces. It evaluates the impact of the generator on temperature and humidity levels at various heights and distances. Results show that the device can lower the temperature to 24-25 °C and increase humidity to 50-60%, creating comfortable conditions. It is recommended to use closed containers with directing fans to enhance the effectiveness of fog dispersion and achieve the desired microclimate parameters. The necessity for further research is emphasized to optimize the application of this technology in various sectors, including agriculture and industry.
Ключевые слова: ультразвуковой генератор тумана, микроклимат, влажность, температура, вентиляция.
Keywords: ultrasonic fog generator, microclimate, humidity, temperature, efficiency, ventilation.
Введение. Ультразвуковые генераторы тумана представляют собой перспективную технологию для управления микроклиматом, особенно в условиях, где требуется эффективное удаление тумана и улучшение видимости. В данной области проведено несколько исследований, которые демонстрируют различные подходы и результаты [1-5].
Исследования показывают, что ультразвуковые генераторы могут значительно ускорить процесс разрушения тумана. Высокоинтенсивные ультразвуковые поля способствуют коагуляции капель тумана, что приводит к их осаждению и уменьшению плотности тумана. В одном из исследований было установлено, что использование дисковых ультразвуковых излучателей с уровнем звукового давления 140-145 дБ при частоте 22±2,0 кГц позволяет сократить время естественного разрушения тумана в аэрозольной камере до 11,5 раз [2].
Ультразвуковые генераторы тумана также показали свою эффективность в открытых пространствах. Экспериментальные данные подтверждают, что специально разработанные ультразвуковые излучатели могут эффективно разрушать туман на открытых территориях, обеспечивая необходимый уровень видимости за минимальное время [2]. Это делает их полезными для применения в различных метеорологических условиях и для улучшения видимости на дорогах и в аэропортах.
Использование ультразвуковых генераторов тумана имеет несколько преимуществ:
• Быстрое и эффективное удаление тумана [2, 3].
• Возможность применения в различных условиях, включая открытые пространства [2].
• Повышение эффективности захвата микронных частиц [3].
Эти технологии могут найти широкое применение в различных областях, включая транспорт, сельское хозяйство и промышленность, где требуется управление микроклиматом и улучшение видимости.
Для дальнейшего изучения возможностей создания систем микроклимата с помощью ультразвуковых
генераторов тумана была проведена серия экспериментов по проверке эффективности предлагаемых систем в помещении на территории Национального Исследовательского Университета «Ташкентский институт инженеров ирригации и механизации сельского хозяйства» (НИУ ТИИИМСХ).
Изучение микроклимата внутри помещений является важной задачей для обеспечения комфортных условий пребывания людей, растений и животных. Целью исследования было изучение влияния ультразвукового генератора тумана на микроклимат в помещении для подтверждения дальнейших возможностей создания систем микроклимата
Материалы и методы
Основным оборудованием являлись ультразвуковые генераторы тумана Ultrasonic Fogger maker DC48V (табл. 1), ёмкости с холодной водой и осевые направляющие вентиляторы - 4 комплекта.
Таблица 1.
Характеристики ультразвукового туманогенератора Ultrasonic Fogger maker DC48V
Число рабочих головок 10
Входящая мощность 20 W
Резонансная частота 1650 50kHz
Максимальный объем атомизации 2.5 л/ч
Температура рабочей жидкости (воды) 1-55 oC
Рабочий уровень жидкости 60-80 mm
Для измерения параметров микроклимата применялся цифровой термометр-гигрометр НТС-2 - комбинированный прибор для измерения температуры и влажности в помещении. Устройство одновременно измеряет и отображает температуру воздуха внутри помещения, температуру воздуха снаружи помещения и относительную влажность воздуха. Диапазон измерения влажности от 10% до 99% с точностью +/- 1%,
диапазоны измерения уличнои и комнатной температуры соответственно -50°С... +70°С и -10°С +50°С с точностью +/- 0,1°С.
Также использовалась цифровая метеостанция РапТи, позволяющая измерять барометрическое давление в диапазоне 450...825,5 мм.рт.ст., влажность (от 20% до 95%) и температуру внутри (-9,9 оС до 50 оС) и вне помещения (-20 оС до 60 оС).
Методика проведения эксперимента. Для
проведения эксперимента на территории НИУ ТИИИМСХ было выбрано помещение в лабораторном корпусе с размерами: высота 6,15 м, длина 19,5 м, ширина 8,1 м.
Порядок проведения эксперимента:
• Выполнение измерений температуры и влажности воздуха в выбранных точках помещения до включения ультразвукового генератора тумана.
• Включение ультразвукового генератора тумана и проведение измерений температуры и влажности воздуха в выбранных точках помещения до достижения комфортной температуры (обычно в течение 1 часа).
• Выполнение измерений температуры и влажности воздуха в выбранных точках помещения после выключения ультразвукового генератора тумана.
Ультразвуковые генераторы тумана были размещены на площади 2 на 2 м (см. схему рис. 2) на высотах 100, 105, 110 и 130 см от пола, а в центральной части экспериментальной площадки были выбраны 5 точек измерения температуры и влажности на высоте 80 см. Таким образом, расстояние в плане от генератора тумана до соответствующей точки измерения составляло 1 м, а до центральной точки (цифровая метеостанция) - 1,5 м.
1 - ультразвуковой генератор тумана; 2 - гигрометр НТС-2; 3 - цифровая метеостанция Рисунок 2. Схема размещения оборудования в помещении
После установки ультразвуковых генераторов тумана, производилось их включение для создания тумана, затем проводились измерения параметров микроклимата во всех выбранных точках в течение времени, необходимого для установления комфортной температуры 24-25 оС.
Первоначально генераторы тумана были размещены в открытых ёмкостях, так что образующийся туман свободно поднимался с поверхности жидкости (рис. 3). Для обеспечения направленного потока тумана использовался осевой вентилятор.
1 - ультразвуковой генератор тумана; 2 - ёмкость с водой; 3 - направляющий осевой вентилятор (стрелкой показано направление потока воздуха)
Рисунок 3. Первоначальный вариант установки генератора тумана в открытую ёмкость
Однако было выявлено, что при такой установке туман сильно рассеивается в окружающем пространстве и не даёт ожидаемого эффекта. Поэтому для организации направленного потока холодного тумана
было принято решение сделать ёмкости закрытыми сверху (рис. 4), но с отверстием в боковой стенке для направленного выхода тумана (направление также обеспечивалось вентилятором).
1 - ультразвуковой генератор тумана; 2 - ёмкость с водой; 3 - направляющий осевой вентилятор; 4 - направляющее отверстие для выхода тумана
Рисунок 4. Размещение генератора тумана в закрытой ёмкости с направляющим отверстием
и вентилятором
Для обеспечения точных результатов эксперимент повторялся многократно в разные дни и в разное время суток, в период с 25 июня по 15 июля 2024 года. Температура воздуха в г. Ташкенте в течение рассматриваемого периода колебалась между +32 и +39 оС.
Длительность каждой серии экспериментов составляла около 1 ч (до установления комфортной температуры), с временным шагом между измерениями параметров 3 минуты.
Результаты и обсуждение
Результаты экспериментов были обработаны стандартными статистическими методами, а также визуализированы с помощью программ Excel и Origin 6.1.
Результаты одной из повторностей эксперимента представлены в табл. 2. На графиках рис. 5 представлено изменение температуры и влажности в зоне действия генераторов тумана. Можно видеть, что в ходе работы туманогенераторов температура постоянно падает, а влажность возрастает, что вполне объяснимо насыщением воздуха микрокаплями воды.
Длительность эксперимента до установления необходимой температуры составляла от 30 до 87 минут, при этом падение температуры в помещении составляло от 2,1 до 6,6 оС. Средние значения изменения температуры составили 4,04 оС при скорости снижения 0,099 оС/мин.
Проведенные исследования показали, что использование ультразвукового генератора тумана способно значительно изменять температуру и влажность воздуха внутри помещения. Принятая в эксперименте разница в высоте установки генераторов тумана
(от 100 до 130 см над уровнем пола) практически не влияет на скорость и степень охлаждения.
В ходе исследования также был проведен эксперимент по определению радиуса действия устройства. Ультразвуковой генератор тумана был размещен на высоте 1,5 метра от пола, а на расстоянии
2 м, 3,5 м и 5 метров от устройства были выбраны
3 точек измерения температуры и влажности на полу и на высотах 0,9 и 1,5 метрах на расстоянии 2 метров. На графиках рис. 6-7 представлено изменение температуры и влажности в зоне действия генераторов тумана.
В ходе исследования были проведены сравнения между расчетными значениями температуры и фактическими измерениями на трех различных высотах. Эксперимент показал, что наиболее высокие температуры фиксируются на средней высоте (0,9 метра) и более низких уровнях. Кроме того, влияние устройства на температуру наиболее выражено на расстоянии 2 метров от него, что свидетельствует о значительном падении температуры по мере увеличения расстояния, особенно на дистанциях свыше 3,5 метров (рис. 6 и 7).
Таблица 2.
Результаты проведения измерений параметров микроклимата
Время № 1 (высота УГТ 100см) № 2 (высота УГТ 110 см) № 3 (высота УГТ 130см) № 3 (высота УГТ 105 см) № 5 (в центре)
Температура, оС Влажность, % Температура, оС Влажность, % Температура, оС Влажность, % Температура, оС Влажность, % Температура, оС Влажность, %
9:24 28,4 47 28,3 45 28,4 45 28,4 45 28,2 47
9:27 28,4 47 28,3 45 28,4 45 28,4 45 28,2 47
9:30 28,1 49 28,0 47 28,1 47 28,1 47 28,1 50
9:33 28,1 52 28,0 47 28,1 52 28,1 51 28,1 52
9:36 27,9 57 28,0 51 27,9 58 27,6 56 28,0 57
9:39 27,9 62 27,8 58 27,6 60 27,8 59 27,9 59
9:42 27,6 64 27,8 60 27,6 63 27,6 68 27,7 61
9:45 27,4 67 27,8 69 27,3 67 27,1 71 27,7 65
9:48 27,2 72 27,9 71 27,0 70 27,0 72 27,4 66
9:57 27,2 72 27,9 84 26,7 72 26,7 75 27,3 67
10:00 27,0 74 26,4 86 26,8 75 26,8 76 27,2 69
10:03 27,0 76 26,4 88 26,5 75 26,5 77 27,2 69
10:06 27,0 77 26,1 84 26,5 78 26,5 77 27,0 71
10:09 26,8 79 26,1 81 26,5 79 26,5 78 27,0 71
10:12 26,8 82 26,4 82 26,2 80 26,5 81 26,9 73
10:15 26,8 83 26,1 87 26,2 81 26,6 80 26,9 74
10:18 26,5 84 26,1 86 26,2 82 26,3 81 26,8 75
10:21 26,5 85 26,1 90 26,2 84 26,3 81 26,7 76
10:24 26,5 87 25,9 95 26,0 87 26,3 84 26,6 81
10:27 26,3 89 25,9 99 26,0 88 26,3 85 26,5 80
10:30 26,3 91 25,9 99 26,0 92 26,3 87 26,3 85
10:33 26,3 91 25,9 99 26,0 99 26,3 89 26,3 88
10:36 26,3 90 25,6 99 25,7 95 26,1 88 26,2 85
Рисунок 5. Графики изменения температуры и влажности в области воздействия туманогенераторов
80 70 60 50 40 30 20 10 0
■ Температура
■Влажность
Рисунок 6. Графики изменения температуры и влажности в области воздействия туманогенераторов
(на расстоянии 3,5 м от устройства)
Рисунок 7. Графики изменения температуры и влажности в области воздействия туманогенераторов
(на расстоянии 5 м от устройства )
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о возможности эффективного использования ультразвуковых генераторов тумана для регулирования микроклимата внутри помещений. Опасения может вызывать повышенная влажность, возникающая в помещении, значения которой иногда достигают 98-99%.
Известно, что относительная влажность воздуха в помещении 98% может быть опасной для здоровья человека и может вызвать проблемы с комфортом [6-8, 9, 11]. Однако точная температура воздуха, при которой 98% влажности будет безопасной, зависит от индивидуальных чувствительностей и других факторов, таких как активность человека и наличие вентиляции [10, 12-15].
Общая рекомендация для комфортного микроклимата в помещении - поддерживать относительную влажность воздуха в диапазоне от 40% до 60%.
В случае высокой влажности воздуха (98%) и комфортной температуры (например, 22-24°С), время, в течение которого человек может чувствовать себя хорошо, зависит от индивидуальных особенностей человека. В таких условиях может возникнуть ощущение духоты и повышенной влажности кожи, что может привести к недостаточному комфорту для многих людей [9].
Из этого следует, что при использовании генераторов тумана в помещении необходимо обеспечивать хорошую вентиляцию и регулярно проводить очистку воздуха, чтобы предотвратить появление аллергенов и микроорганизмов, которые могут вызывать проблемы со здоровьем. Явным достоинством генератора тумана является низкий расход воды (1,5-3 л/ч на одну установку). В данном эксперименте расход воды составил от 10 до 12 л/ч.
Ожидается, что при использовании предлагаемых установок на открытом воздухе проблема повышенной влажности не будет возникать за счет естественной циркуляции воздуха.
Заключение. Экспериментальное исследование показало, что ультразвуковой генератор тумана может быть эффективным инструментом для создания оптимальных условий микроклимата в помещениях. Достижение комфортной для человека температуры
происходит в течение 30.. .60 минут. Средние значения изменения температуры составили 4,04 оС при скорости снижения 0,099 оС/мин.
Очевидно, для получения зоны климатического комфорта больших размеров потребуется увеличить количество генераторов тумана.
Дальнейшие исследования в данном направлении могут способствовать развитию новых технологий в области обеспечения комфортных условий для жизни и работы людей.
Список литературы:
1. Wu, M., Jiang, L., Li, X., Xiang, Z., Yi, P., Liu, Y., Zhang, L., Li, X., Wang, Z., & Zhang, X. (2023). Microheater-Integrated Microlens Array for Robust Rapid Fog Removal.. ACS applied materials & interfaces. https://doi.org/10.1021/acsami.3c07262.
2. Dorovskikh, R., Puzhaikina, A., Tertishnikov, P., Nesterov, V., & Shalunov, A. (2023). Effect of high-intensity ultrasonic field on fog droplet coagulation efficiency. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University Geo Assets Engineering. https://doi.org/10.18799/24131830/2023/11/4146.
3. Merrell, T., & Saylor, J. (2017). Scavenging of micron-scale particles using a combination of fog and a cylindrical ultrasonic standing wave field. Journal of Aerosol Science, 107, 14-30. https://doi.org/10.1016/JJAER0SCI.2017.01.001.
4. Han, S., Cao, J., Ding, Y., & Li, W. (2014). Fog and Hazy Simulation for outside Lighting Study. Applied Mechanics and Materials, 701-702, 488 - 491. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.701-702.488.
5. Martinez, P., Ruiz, J., Martin, i., & Lucas, M. (2020). Experimental study of an ultrasonic mist generator as an evaporative cooler. Applied Thermal Engineering, 181, 116057. https://doi.org/10.1016/J.APPLTHERMALENG.2020.116057.
6. ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment (2012). Chapter 21: Humidification and Dehumidification. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
7. ASHRAE Standard 55-2017: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
8. ASHRAE Standard 62.1-2019: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
9. Fanger P.O. Thermal comfort: analysis and applications in environmental engineering. Danish Technical Press. 1970.
10. Mendell, M.J., & Heath, G.A. (2005). Indoor air quality, ventilation, and health symptoms in schools: an analysis of existing information. Indoor Air, 15(1), 27-52
11. National Research Council (NRC) (2004). Dampness and mold in buildings: causes, prevention, and health effects. National Academies Press
12. Sundell, J., Levin, H., & Lindvall, T. (2011). Ventilation and health in non-industrial buildings. Indoor Air, 21(3), 203-212.
13. Wargocki, P., & Wyon, D.P. (2013). Indoor climate and the health and comfort of building occupants. John Wiley & Sons.
14. Wong N.H., Chong A.Z. Performance evaluation of misting fans in hot and humid climate. Building and Environment 2010; 45:2666-78.
15. World Health Organization (WHO) (2018). WHO guidelines on indoor air quality: household fuel combustion. WHO Regional Office for Europe.