CC BY
53
УДК 628.84:629.114
е. В. ХРИСТЯН, I. В. ТИТАРЕНКО (ДПТ)
ВИКОРИСТАННЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИХ МОДУЛ1В У КОНДИЦ1ОНЕРАХ ПОВ1ТРЯ ВИПАРНОГО ТИПУ
Розглянуто iснуючi схемш ршення комбiнованих систем кондицiювання повггря випарного типу, запро-поноване рiшення з використанням термоелектричного блоку. Представлено математичну модель i експе-риментальну установку.
Рассмотрены существующие схемные решения комбинированных систем кондиционирования воздуха испарительного типа, предложено решение с использованием термоэлектрического блока. Представлены математическая модель и экспериментальная установка.
The existing scheme solutions of the combined vaporizing air conditioning are considered, proposal for a solution by the thermoelectric unit is performed. The mathematical model and the experimental unit are presented.
В останш роки для охолодження рiзних об-межених об'eмiв (купе пасажирських вагошв, кабши локомотивiв, тракторiв, комбайшв та шшо! мобшьно! техшки) почали застосовувати кондищонери випарного типу. Кондицiонери цього типу мають достатньо значнi переваги порiвняно з широко розповсюдженими зараз кондищонерами з паро-компресiйною установкою, а саме: прост по конструкцii, не вимага-ють квалiфiкованого обслуговування, еколопч-но нешкiдливi, мають низьку споживану поту-жнiсть, саморегульованi по ефективносп охолодження в залежностi вщ температурно-вологiсного стану охолоджуваного пов^ря [1].
Основними ж недолiками кондицiонерiв випарного типу, якi зараз випускаються, е пере-зволоження пов^ря, що створюе дискомфортнi умови в охолоджуваних примiщеннях, та не-можливють досягнення у бiльшостi випадкiв температури, яка вщповщае температурi точки роси. Це значно обмежуе можливють викорис-тання кондицiонерiв такого типу в умовах тд-вищеноi вологостi та достатньо низьких температур.
На протязi вже довгого часу здшснюються спроби виправити вищенаведенi недолiки кон-дицiонерiв випарного типу. Серед них можна вiдмiтити, наприклад, встановлення додатково-го теплообмiнника (рис. 1), що за задумом ав-торiв [2] зможе достатньо ефективно знизити температуру повпря, яке обробляеться, а також дозволить використовувати кондищонер для охолодження повпря в примщенш не тшьки за рахунок припливу зовнiшнього повпря, але i у режимi рециркуляци повiтря примiщення. У цьому випадку необхщно повiтря примiщення, що рециркулюе, пропускати через сухi канали додаткового теплообмшника, у яких воно охо-
лоджуеться без змiни свого вологовмюту в ме-жi до температури точки роси. У волоп канали додаткового теплообмшника надходить основ-ний потш повiтря з установки, у них вш rnipi-ваеться (за рахунок вщбору теплоти вiд потоку повпря, що рециркулюе) i зволожуеться (за рахунок випару води на поверхш вологих кана-лiв) i в цьому станi викидаеться в атмосферу.
Рис. 1. Принципова схема комбшовано].' установки для непрямо-випарного охолодження повггря з до-датковим теплообмшником:
1 - корпус; 2 - патрубок входу загального потоку; 3 - патрубок виходу допом1жного потоку; 4, 5 - теплообмшш пластини; 6 - додатковий патрубок виходу допом1жного потоку; 7 - наскр1зш отвори; 8, 9 - герметичш заглушки; 10 - додатковий теплообмшник; 11 - сух1 канали; 12, 13 -патрубки входу [ виходу сухих каналш; 14, 15 - патрубки входу [ виходу вологих каналш; 16 - вентилятор або насос
Реалiзацiя вищевказаного варiанта дозволяе охолоджувати, якщо буде потреба, не тiльки говоря, але i будь-яку текучу речовину. Також е можливим роздiлення пропоновано! установки, що складаеться з установки для непрямо-випарного охолодження пов^ря i додаткового теплообмiнника, на два блоки, один iз яких встановлюеться поза примiщенням, а шший усерединi нього. Це призводить до зниження шуму вiд вентиляторiв пов^ря та iстотного зменшення габаритiв блоку установки, розта-шовуваного усерединi примщення.
1ншим можливим варiантом конструкци [3] е встановлення вихрово! труби в якосп додаткового модулю з метою шдвищення ступеня охолодження повпря. Потiк повiтря у вихровiй трубi роздiляеться на холодний i гарячий потоки. Перший з яких надходить до споживача, а другий - у вхщний патрубок кожуха, де, конта-ктуючи з адсорбуючим матерiалом, здiйснюе видалення з нього вологи, яку цей матерiал по-глине iз загального потоку повпря в каналах. У результатi такого конструктивного виконан-ня установки тдвищуеться ступiнь охолодження повiтря i одночасно не потрiбнi для не! дода-тковi джерела тепла для регенерацп адсорбую-чого матерiалу.
Ще один комбiнований варiант схемного ршення установки кондицiювання повiтря мю-тить у собi блок охолоджувача непрямо-випарного типу та холодильну машину [4]. При такш схемi установка кондицiювання повiтря здатна охолодити зовшшне повiтря в обсязi не-обхщно! саштарно! норми. В якосп допомiжно-го потоку повiтря може використовуватися як зовшшне повпря, так i охолоджене повiтря iз примщення. При цьому зовшшне повпря охо-лоджуеться в «сухих» каналах охолоджувача i потiм подаеться в загальну систему кондищю-вання повiтря. Далi вiдбуваеться охолодження та осушка повпря у випарнику холодильно! машини, тсля чого воно подаеться в прим> щення.
Авторами статтi була запропонована i подана заявка на корисну модель ново! схеми ком-бшовано! установки кондицiювання повiтря, що мютить у собi випарник непрямо-випарного типу та модуль термоелектричних батарей [5]. Модуль термоелектричних батарей призначе-ний для додаткового шдсушування (зниження вологосп повiтря до припустимих величин вщ-повiдно до санiтарних норм) i охолодження по-вiтря перед подачею його в примщення, яке кондищюеться. У порiвняннi з розглянутими рашше схемними рiшеннями, термоелектричнi
батаре! мають цiлий ряд переваг: абсолютна безшумшсть роботи, вiдсутнiсть рухомих час-тин i робочих рiдин, можливiсть роботи в будь-якому просторовому положенш, малий розмiр i вага системи охолодження, висока надшнють, можливiсть реатзацп охолодження та пiдiгрiву в одному блощ, простота керування i можли-вiсть прецизiйного регулювання температури. Крiм того, немаловажним моментом може слу-гувати значне зниження вартостi термоелектричних модулiв у зв'язку зi значним розширен-ням областi !хнього застосування, а також на-явносп пiдприемств, якi виробляють термоеле-ктричш елементи на територп Укра!ни.
Однак, незважаючи на настiльки значнi переваги, основним недолгом таких модулiв е коефiцiент корисно! ди термоелектричних еле-ментiв, що не перевищуе в цей час 20 %. Звюно саме такий низький ККД заважае повсюдному впровадженню термоелектричних кондищоне-рiв.
Тому в даному схемному ршенш було за-пропоновано використовувати термоелектрич-ний модуль як допомiжний блок при робот в лiтнiй перюд (основна цiль - зниження вологосп повiтря) i як тепловий насос у зимовий пер> од. Це дозволить мiнiмiзувати вплив низького ККД термоелектричного модуля на загальну енергетичну характеристику комбшовано! установки кондищювання повiтря.
У лiтнiй перiод попередньо оброблене пов> тря надходить iз сухих каналiв випарного модуля в канал термоелектричного блоку. Повпря при проходженш по каналу охолоджуеться та вiдбуваеться збiльшення вщносно! вологосп до 100 %, що приводить до конденсацп частини вологи з повпря на ребрах радiатора. I це дозволяе на виходi з термоелектричного блоку одержати повпря, характеристики якого вщпо-вiдають необхщним санiтарним нормам.
З огляду на можливють досить простого регулювання холодопродуктивносп термоелектричних елементiв, можна використовувати за-пропоноване схемне ршення комбшовано! установки кондицiювання повiтря у всьому клiматичному дiапазонi температур на територп Украши.
Розрахункова модель розглянутого термо-електричного блоку представлена на рис. 2. З метою штенсифшацп процесiв тепло- та ма-сообмiну, робоча поверхня термоелементiв об-ладнана радiатором зi штирями кошчно! фор-ми, якi розташованi в коридорному порядку. У ходi розрахунюв характеристики повiтря, що надходить у термоелектричний блок, i геомет-
ричн1 параметри каналу узгоджуються з параметрами повпря на виход1 i3 сухих канал1в ви-парного блоку та об'емною витратою повiтря, що безпосередньо подаеться споживачевь
З метою ощнки розрахункових даних та пе-ревiрки можливостi якiсного функцiонування такого схемного ршення комбiнованоï установки кондищювання повпря було створено екс-периментальну установку, схема якоï наведена на рис. 3.
Рис. 2. До математично! модел термоелектричного блоку:
1 - канал повпроводу; 2 - ребра рад1атору
Розрахунок виконуеться методом послщов-них наближень до досягнення необхщно! задано! точность При цьому на першому набли-женнi температура на виходi з радiатора при-ймаеться на один градус менше, шж на вход^ а при кожному наступному наближенш зменшу-еться ще на певний крок. Основними рiвняння-ми, що входять в математичну модель е:
1. Рiвняння конвективного теплообмiну вiд поверхнi радiатора до потоку повiтря:
Q =а
(пБр • Hр • Нр
сер
л
((L-п-D
0,5
•Нр
• (t -t
\ сер п
).(1)
Коефiцiент тепловiддачi у формулi 1 розрахо-вуеться з урахуванням рядност розташування штирiв радiатора.
2. Рiвняння теплового балансу для потоку повпря, що проходить по каналу:
Q2 = V • c •( t -1 ) .
ü-2 пов п у вх вих /
(2)
3. Масова витрата конденсату, що осщае на поверхш радiатора
M = j
п-Бр • Hр • Нр +
+(( L-п^ <
•3600. (3)
Математична модель мае за мету одержання сшввщношення для розрахунку масовiддачi з поверхнi радiаторiв стриженькового типу при обтшанш и вологим повпрям. Для цього вико-ристовуеться рiвняння масовiддачi виду:
NuD = C • Re0'5• [1 - ps(tceD)]0
-(1/3)
(4)
x[Ps (tcep - Ps (tпов )]~
де С - коефщент, який потребуе уточнення в експеримент на основi вимiрювань кшькосп конденсату, що створюеться на охолоджуванш поверхнi осушувача.
Рис. 3. Схема експериментальноï' установки термоелектричного модуля
Вентилятор 1 забезпечуе подачу повггря в канал 2 у об'емi до 40 м3/год. З метою створен-ня рiвномiрного розподiлу потоку повпря по всш площi каналу тсля вентилятора встанов-лений розсшач. Потiк повiтря пiсля прохо-дження розсшача омивае конiчнi штирi алюм> нiевого радiатора та проходить додаткову дшя-нку каналу за радiатором i викидаеться назовнi.
В установщ застосованi двi однокаскаднi термоелектричнi батареï типу «Селен» C2-7. Цi батареï характеризуються оптимальним струмом на рiвнi 30 ± 3 А та напругою не бшь-ше 2 В. Крiм того, максимальний досяжний перепад температур становить 50 °С. З боку гаря-чих спа1'в термоелектричних батарей розташо-ваний теплообмшник, через який проходить вода з водопроводу, яка дозволяе вщвести теплоту з гарячих спа1'в батарей. Алюмшевий ра-дiатор з кошчними штирями розташовано з боку холодних спа1'в батарей. При цьому його плоска частина стикаеться з батареями, а ребе-рна частина розташована в повпряному каналi.
Витрата води через охолоджуючий тепло-обмiнник контролюеться лiчильником холодно!' води 5. Вимiр напору повiтря до та тсля радiа-тора здiйснюеться за допомогою мшроманоме-тра, з'еднаного з насадкою Ппо-Прандтля 7 i 8. Вимiр вiдносноï вологостi атмосферного повпря перед надходженням в установку та на вихо-дi виконуеться за допомогою термопгрометру CENTER-311, що обладнаний двома темпера-турними датчиками i датчиком для вимiру вщ-носноï вологостi. При цьому одержуваш в ходi вимiру параметри в режимi реального часу пе-редаються на персональний комп'ютер з мож-ливютю виставляння кроку знiмання показань вщ 2 секунд. Точнiсть вимiру температури та вiдносноï вологостi становить 0,1 °С и 0,1 % вщповщно. Для знiмання значень температури iз зовнiшньоï сторони теплообмiнника та iз
плоско! частини равдатора з боку холодних спа-!в батарей використовуються електронш тер-мометри фiрми Dallas 18B20 з точнютю вимiру 0,5 °С, кожний з яких обладнаний власним ш-дикатором, що показуе значення температур. Також для вимiру маси вологи, що видшяеться за час дослщу, пiд ребрами радiатора розташо-ваний поролон 13, що зважуеться до та шсля кожного дослщу на електронних вагах з похиб-кою не бiльше 1 грама. Барометричний тиск ви-значаеться за допомогою лабораторного ртутного барометра. Електричш параметри (напруга i сила струму) контролюються незалежно на кожнш термоелектричнш батаре! за допомогою цифрових мультиметрiв.
На початку проведення дослщу в обов'язко-вому порядку забезпечуеться циркулящя водо-провщно! води через теплообмшник 4, щоб уникнути виходу з ладу термоелектричних батарей 12. Пюля цього здшснюеться подача еле-ктрично! енергп на батаре! з початковими параметрами по струму 10 А. З метою зниження впливу теплообмiну з навколишшм середови-щем i через плоску частину алюмшевого радiа-тора знiмання даних з контрольно-вимiрювального устаткування починаеться тшьки через 15...20 хвилин iз часу початку до-слiду. Вимiри виконувались з iнтервалом 2... 5 хвилин зi збiльшенням сили струму на 5 А через кожш 15 хвилин. Сила струму збшьшува-лась до 30 А iз суворим контролем напру ги, яка не мала перевищувати 2 В.
У ходi проведення ряду дослщв вдалося до-сягти рiзницi мiж спаями термоелектричних батарей порядка 25 °С при температурi навколи-шнього середовища 18 °С, а також значного зростання вiдносно! вологостi з 36,4 % до 87,4 °С на входi та виходi в повггряний канал експериментально! установки, вщповщно. По-дальшого збiльшення рiзницi температур i до-сягнення вiдносно! вологосп 100 % одержати в цих дослщах не вдалося у зв'язку iз недостат-ньою добротнiстю термоелектричних батарей,
оскшьки при подальшому збшьшенш струму спостерiгалось значне зростання температури холодних спаiв батарей.
Тим не менш, проведет дослщження тд-твердили можливiсть якiсноi роботи запропо-нованого схемного ршення системи кондицiю-вання повiтря, а це значною мiрою може вирi-шити проблеми, яю властивi кондицiонерам випарного типу. Крiм того, використання в конструкцii комбiнованоi установки кондицiю-вання повiтря модуля термоелектричних батарей дозволяе значно розширити рiчний час екс-плуатаци кондицiонера за рахунок можливостi використання його в режимi теплового насоса.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Шацкий В. П. Выбор оптимальных режимов работы охладителей воздуха водоиспарительного типа // Теплоэнергетика, 1995, № 9. - С. 62-64.
2. Патент № 2046257. Российская Федерация. Установка для косвенно-испарительного охлаждения / В. С. Майсоценко, Н. П. Видяев, В. Н. Челабчи, Я. А. Максименюк, Г. П. Орлов, В. Н. Герасимов, Л. Н. Соболев, А. П. Коноводов (Украина). - 11 с.; Опубл. 20.10.1995, Бюл. № 2.
3. Патент № 866348. СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / В. С. Майсоценко, А. Б. Цимерман, М. Г. Зексер (Украина). - 3 с.; Опубл. 23.09.1981, Бюл. № 35.
4. Яковенко И. А. Новое в кондиционировании воздуха: косвенно-испарительная рекуперативная установка (КИРУС) / И. А. Яковенко, Е. А. Со-ловцов, А. Б. Цимерман // Журнал «Отопление. Водоснабжение. Вентиляция. Кондиционеры.», № 3. - К., 2005.
5. Христян £. В. Обгрунтування вибору системи кондицшвання повпря для кабш локомотив1в / £. В. Христян, I. В. Титаренко // Вюник Днш-ропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Вип. 18. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007.
Надшшла до редколегп 31.03.2008.
