CC BY
20УДК 537.56:69794
А. С. Курников, д. т. п., профессор.
А. И. Телегин, д. т. н., профессор.
А. С. Ширшин, аспирант, ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
КОМПЛЕКСНАЯ ОБРАБОТКА КОНДИЦИОНИРУЕМОГО ВОЗДУХА В ЦИКЛОННО-ПЕННЫХ АППАРАТАХ
Введение
Современные речные и морские суда являются местом постоянной работы и жительства членов экипажей и продолжительного пребывания пассажиров. То обстоятельство, что ежегодно в сфере водного транспорта работают и пользуются его услугами более 5 млн. человек, обусловливает необходимость обеспечения в судовых помещениях комфортных условий обитания, которые получают с помощью кондиционирования газовой среды судовых помещений. Под комфортным кондиционированием воздуха понимается комплекс технологических процессов его обработки, который обеспечивает поддержание определенного состава среды, давления, температуры, влажности, подвижности газа в заданном интервале их значений в соответствии требованиям и нормам СанПиН 2.5.2-703-98 и международному стандарту 180 47.020.90.
Человек, потребляя из окружающей среды кислород и пищу, выделяет в нее пропорционально физической и умственной нагрузке тепловую энергию, воду, углекислый газ и другие продукты жизнедеятельности. Эти загрязнители атмосферы помещения и должны систематически отводиться из нее вместе с тепловлаговыделениям и, газообразными веществами, микроорганизмами и пылью. Взамен должен подаваться свежий, очищенный воздух с достаточным содержанием кислорода и легких ионов. Желательно также применять на судах стерилизацию воздуха, чтобы препятствовать усиленному развитию микрофлоры, размножению и распространению по судовым помещениям болезнетворных микробов.
В настоящее время, в связи с введением в действие стандартов 180, ужесточены требования к экологической безопасности и условиям обитания на судах. Большинство применяющихся на судах СКВ по ряду важных показателей качества воздуха, например, аэроионному составу кондиционируемого воздуха, дезодорации и вторичной загрязнённости даже частично не соответствуют новым требованиям. В значительной степени это обусловлено рядом характерных для существующих СКВ недостатков, главным из которых является отсутствие в них какого-либо дезинфектанта для обеззараживания кондиционируемого воздуха и аэроионизатора.
К другим недостаткам можно отнести и высокую энергоемкость. Действительно, потребление электроэнергии современными судовыми СКВ доходит до 25 % совокупной мощности судовой электростанции. Это вынуждает к различным ограничениям по режимам использования СКВ и, как следствие, снижает эффективность процесса кондиционирования воздуха. Во многом это связано с применением в существующих СКВ чрезвычайно громоздких и энергоёмких поверхностных теплообменных аппаратов. Отсутствие же эффективных технологий комплексной обработки кондиционируемого воздуха обусловливает необходимость постоянного притока свежего «забортного» воздуха, что также отрицательно сказывается на энергоёмкости судовой СКВ и усугубляет общую картину.
Указанные недостатки современных судовых СКВ явились поводом для поиска новых подходов к решению вопросов кондиционирования воздуха в судовых помещениях. Анализ отечественного и зарубежного опыта разработки и использования таких систем однозначно указывает на то, что основным направлением их совершенствования является повышение эффективности процессов тепломассообмена и поиск экологически чистых методов химической, тепловлажностной, биологической и других видов обработки воздуха.
Значительно интенсифицировать процесс тепломассообмена можно путём замены малоэффективных, морально устаревших поверхностных теплообменных аппаратов на более современные контактные, в которых исключается основной недостаток поверхностных теплообменников - наличие промежуточной стенки между взаимодействующими средами и, как следствие, высокие термические сопротивления при переходе тепла от одной среды к другой. Разность температур воздуха и охлаждающей среды на выходе из этих аппаратов, характеризующая глубину охлаждения воздуха, лежит в пределах (7...8) ОС [11], что ограничивает возможность использования водопроводной или забортной воды для охлаждения воздуха Контактные аппараты имеют термическое сопротивление существенно ниже, чем у поверхностных [3] поэтому разность температур воздуха и воды на выходе из контактных аппаратов значительно меньше (1...3) ОС и даже при определенных условиях происходит не только выравнивание этих температур, но и уменьшение температуры воздуха по сравнению с температурой воды. Поэтому становится возможной работа установки кондиционирования без энергоемкой холодильной машины гораздо больше времени (апрель - май - вторая половина августа, сентябрь), то есть весь переходный период между холодным и теплым сезонами года.
Кроме того, при использовании контактных теплообменных аппаратов в составе СКВ можно отказаться от применения фильтрующих материалов и агрегатов, являющихся основной причиной деионизации воздуха в кондиционируемых помещениях
[12]. Важным достоинством таких аппаратов следует считать также возможность стерилизации воздуха остаточными дезинфектантами промывной (либо орошающей) среды, что способствует более качественной и эффективной обработке воздуха [14].
Таким образом, при замене поверхностных аппаратов на контактные создаются условия для перехода комфортного кондиционирования воздуха на более высокую ступень развития, когда наряду с основными параметрами комфорта дополнительно могут обеспечиваться факторы улучшения: ионизация, стерилизация, дезодорация и др.. И последнее, контактные теплообменники позволяют осуществить комплексную обработку воздуха в одном аппарате, что резко уменьшит массо-габаритные характеристики СКВ в целом. Схема одной из СКВ с контактным аппаратом изображена на рис. 1.
Из всех контактных теплообменных аппаратов успешные испытания на судах прошли лишь два типа - камеры орошения (КО) и циклонно-пенные аппараты (ЦГ1А) различного конструктивного исполнения [11].
Пенные аппараты при этом показали лучшие результаты, что является следствием более значительного развития контактирующей поверхности на границе раздела фаз (воздух - промывная среда) [13]. Камеры орошения применялись в СКВ в качестве увлажнителей воздуха на судах «Советский Союз» и «Ленин», а ЦГ1А прошли всесторонние испытания на одном из судов речного флота [11]. Испытания ЦПА показали полную пригодность аппарата для судовых условий при работе в составе СКВ. Всего под наблюдением, включая весь период исследований при работе на различных режимах работы ЦПА, находилось 570 человек, из них 58 проходили тщательный медицинский контроль.
вода
Рис. 1 Принципиальная блок-схема одноканалыюго центрально-местной СКВ с контактным аппаратом и системой обработки воды:
1 - вентилятор; 2 - каплеотбойник; 3 - воздухораспределитель доводсчный;
4 - нагреватель; 5 - охладитель; 6 - холодильная машина.
В результате физиолого-гигиенических исследований врачами было установлено:
• при обработке воздуха в ЦПА наряду с тепловложностной обработкой происходит в значительной степени и его очистка от вредных примесей, в том числе эффективная очистка от специфических дурнопахнущих веществ;
• при обработке рециркуляционного воздуха в ЦПА количество наружного воздуха может быть снижено до 15 м3/ч, вместо 33 м3/ч, что обеспечивает значительную экономию энергии в СКВ.
Широкое внедрение на судах СКВ с контакгными теплообменными аппаратами однако сдерживается рядом объективных факторов, в основном экономического характера. Существуют и чисто технологические сдерживающие факторы, к которым в первую очередь нужно отнести необходимость включения в состав СКВ собственной системы обработки воды, работающей по рециркуляционной схеме. Дело в том, что для эффективной работы контактных теплообменных аппаратов необходима вода только питьевого качества и в довольно больших объёмах (до 3 кг воды на / кг кондиционируемого воздуха) [11]. Использование для этих целей питьевой воды из судовой водопроводной системы сопряжено с большими энергетическими затратами на постоянный её нагрев / охлаждение при тепловлажностной обработке воздуха в контактной камере кондиционера. Экономически оправданной в этом случае является система очистки и обеззараживания воды, работающая по схеме замкнутого цикла и входящая в состав СКВ. При таком техническом решении резко сокращаются расходы энергии на нагрев (охлаждение) воды до требуемой температуры и количество необходимой для обработки воздуха воды. Добавление воды из системы питьевой воды требуется только для компенсации убыли ее во время технологического процесса очистки воздуха.
Наличие же в составе СКВ собственной системы обработки воды не только позволяет эффективно использовать контактные теплообменные аппараты, но и делает возможным применение в современных судовых СКВ экологически чистых методов химической и бактерицидной обработки воздуха.
Рассмотрим особенности обработки кондиционируемого воздуха в ЦПА.
1. Обработка воздуха в циклонно-пенном аппарате с использованием озоновых технологий
1.1. Очистка воздуха озонированной водой в ЦПА
Анализ отечественного и зарубежного опыта развития и создания новых устройств СКВ показал, что основным направлением совершенствования таких устройств является поиск экологически чистых методов очистки воздуха. В настоящее время судовые СКВ не могут задержать и обеззаразить воздух от взвешенных мелкодисперсных частиц и микроорганизмов, которые состоят из спор грибков, актиноми-цетов, органической пыли и способны вызвать такие заболевания, как бронхит, пневмония, астма и пр. [17]. В ряде случаев обнаруживаются скопления микроорганизмов не только на внешней, но и на внутренней стороне фильтров, в контактных аппаратах и вентиляционных каналах, что способствует дополнительному инфицированию воздуха в кондиционируемых помещениях.
Исследованиями [12] установлено, что содержание первичных легких ионов снижается после прохождения через СКВ в (6... 10) раз, что отрицательно сказывается на самочувствии и увеличивает заболеваемость людей.
Кроме этого, использование в СКВ рециркуляции воздуха имеет помимо положительного эффекта (экономия энергопотребления) и недостаток - уменьшенные по сравнению с естественным фоном концентрацию озона и увеличенные концентрации двуокиси углерода (С02) в воздухе. Известно, что при устранении микроконцентраций озона из воздуха в кондиционируемом помещении наблюдается изменение ряда физиологических параметров в неблагоприятную сторону, что способствует заболеванию — «синдром закрытых помещений» и, как следствие, появлению болезненных симптомов: плохое самочувствие, быстрое утомление, сонливость и др. [24]. Вредные воздействия двуокиси углерода на организм человека общеизвестны.
Одним из выходов из создавшейся ситуации является применение в СКВ контактных аппаратов. Однако тот факт, что в таких аппаратах происходит непосредственный контакт кондиционируемого воздуха с циркулирующей водой, приводит к быстрому бактериологическому и химическому загрязнению в процессе очистки наружного и рециркуляционного воздуха. В свою очередь вода в аэрозольной фазе загрязняет кондиционируемый воздух и тем самым увеличивает микробиологическую обсемененность обслуживаемого помещения и нарушает требования ГОСТ 12.1.005-98 и СанПиН 2.5.2-703-98.
Следовательно, обязательным условием обработки воздуха в контактных аппаратах является применение какого-либо дезинфектанта. Таким, как наиболее современным и эффективным, является озон. Озон (03) - это аллотропная форма кислорода, являющаяся мощным окислителем химических и других загрязняющих веществ, разрушающихся при контакте. Окислительный потенциал озона составляет 2,07 В (для сравнения у хлора 1,7 В). Озон уничтожает все известные микроорганизмы: бактерии, вирусы, простейшие, их споры, цисты и т. д.; при этом озон на 51 % эффективнее хлора и действует в (15. ..20) раз быстрее.
Озон разрушает окислительно-восстановительную систему бактерий и их протоплазму. Вирус полиомиелита, например, погибает при концентрации озона 0,45 мг/л через 2 мин, а от хлора - только за 6 ч. На споровые формы бактерий озон действует в (300. ..600) раз сильнее хлора [16]. Озон оказывает действие и на различные виды плесени. Это действие проявляется в торможении спорообразования и роста плесени. Наибольший эффект действие озона производит на микроорганизмы при концентрации его (1 ...2) мг/дм3 в воздухе.
В результате проведенных исследований [18] было установлено, что искусственное озонирование воздушной среды в концентрациях в несколько раз меньших, чем ПДК (ПДК озона в воздухе составляет 0,1 мг/м ) снижает микробную обсемененность
в воздухе до уровня загрязнения, характерного для чистого атмосферного воздуха и считается удовлетворительным для судовых помещений. Отмечено полное снижение патогенной микрофлоры, условно-патогенная микрофлора снижается в (15...20) раз, споры грибов и плесени уменьшаются в (20...30) раз. Исследовались режимы работы кондиционеров в режимах с 90 % рециркуляцией [17]. Результаты экспериментов показали, что качество воздуха даже при многосуточном режиме остается высоким. Предельно-допустимый уровень микробной загрязненности составляет 1500 КОЕ /м3.
Таким образом, метод искусственного озонирования позволяет следующее:
1). Осуществить химическую очистку воздуха от паров и газов (фенола, формальдегида, ацетона, сероводорода, окиси и двуокиси углерода, оксидов азота и др. загрязнений, находящихся в воздухе помещений в концентрациях 2... 10 ПДК) с эффективностью до 85 %. Однако на сегодняшний день не проводились экспериментальные исследования по влиянию озона на уменьшение концентрации углекислого газа при обработке воздуха в ЦПА. Такие экспериментальные исследования являются одной из задач, поставленных автором в данной работе.
2). Провести бактерицидную очистку и стерилизацию воздуха от патогенной микрофлоры (вирусы, бактерии, споры грибов и плесени) с эффективностью до 95...99 %.
3). Восстановить естественный фон концентраций озона и кислорода в воздухе кондиционируемых помещений.
4). Дезодорировать воздух, гак как озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями с разрушением ароматического ядра. Реакции озона с ароматическими соединениями легли в основу технологий дезодорации различных сред. При очень незначительной концентрации озона воздух в помещении чувствуется приятным и свежим, а неприятные запахи ощущаются гораздо слабее.
5). Ионизировать воздух в помещении с увеличением содержания легких отрицательных ионов до оптимальных значений. При обогащении кондиционированного воздуха озоном происходит поддержание и сохранение легких аэроионов в основном отрицательной полярности за счет способности озона образовывать легкие ионы в процессе перезарядки и уменьшения количества тяжелых ионов [12]. Это объясняется тем, что озон как сильный окислитель способен разрушать «посадочные» площадки (материальные частицы), составляющие основу тяжелых ионов.
Еще одним существенным достоинством озона является то, что в отличие от других окислителей озон в процессе реакций разлагается на молекулярный и атомарный кислород и предельные оксиды. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ как, например, при окислении хлором или фтором. Поэтому применение озона для обработки воздуха в СКВ является еще и экологически чистым методом.
Основным препятствием на пути повсеместного внедрения метода очистки воздуха озоном является определение необходимой дозы озона (количество диспергируемого в воду озона), расходуемой на очистку воздуха и восстановление естественного фона озона в кондиционируемом помещении. Эта доза должна быть определена с высокой точностью, так как даже незначительная ошибка может привести к негативным последствиям - либо озона будет недостаточно для эффективной обработки воздуха, либо его концентрация превысит допустимую. Помимо этого, количество необходимого озона зависит от многих факторов - материала помещений, функционального назначения помещения, от количества контаминантов. Поэтому при создании действительно безопасных и эффективных СКВ с обработкой воздуха озоном для каждого конкретного проекта судна необходим индивидуальный подход.
Итак, процесс озонирования является многофункциональным (очистка, ионизация, обогащение воздуха кислородом, дезодорация) и эффективным, что делает его на сегодняшний день самым прогрессивным как в экологическом, так и в экономическом аспектах.
В контактных аппаратах, как уже отмечалось, можно одновременно обеспечить процессы теплообмена и очистку воздуха, используя при этом озонированную воду. Рассмотрим особенности протекания теплообменных процессов в ЦП А.
2. Особенности тепловой обработки воздуха в судовых системах комфортного кондиционирования
2,1. Охлаждение воздуха на основе применения внешних источников холода в ЦП А Представляется целесообразным проанализировать эффективность политропных теплообменных процессов при различных режимах работы ЦП А. Прежде всего проследим влияние высоты слоя пены Н на процесс теплообмена, так как от нее зависят поверхность контакта и время взаимодействия фаз, а также габариты аппарата.
Высота слои пены. С увеличением Н в некотором диапазоне до момента приближения к равновесному состоянию должно возрастать количество обмениваемых в процессе теплоты и массы. Дальнейшее увеличение Н после достижения равновесия не должно влиять на скорость приведенных процессов.
Указанный характер влияния высоты слоя пены на процесс теплообмена хорошо подтверждается зависимостью коэффициента теплопередачи кТ, отнесенного к площади свободного сечения цилиндрической части аппарата, от высоты пены (рис. 2) [3].
Как видно из рисунка, величина кт в пределах высот Пены (100...400) мм изменяется мало. Это объясняется большой интенсивностью процессов тепло- и массообме-на в аппарате уже в нижнем слое пены высотой до 100 мм, так как скорость этих процессов в гетерогенных системах в начальный момент формирования межфазной поверхности наиболее велика [3].
Рис. 2. Зависимость коэффициентов теплопередачи от высоты пены для различных скоростей газа: 1-1,5 м/с; 2-2 м/с; 3-3 м/с; 4-4м/с; 5-5 м/с.
Влияние высоты слоя пены на эффективность работы аппарата можно проследить также и по глубине охлаждения воздуха в аппарате, которая зависит от разности температур Дг ‘воздуха и воды на выходе из слоя пены. Эта величина также в малой степени зависит от высоты слоя пены (рис. 3).
Выравнивание температур воздуха и воды в аппарате начинает происходить уже при высоте слоя пены 100 мм, при которой разность температур воздуха и воды составляет^,3...3,2)° С в зависимости от скорости воздуха в аппарате. Следовательно, движущая сила процесса теплообмена (температурный напор) при Н > 100 мм весьма мала и убывает с ростом высоты слоя пены, а объем пены соответственно возрастает.
Таким образом, анализируя зависимости ряда показателей, характеризующих процесс теплообмена, можно сделать вывод, что оптимальная высота слоя пены в аппарате составляет 400 мм.
Высота слоя пены. Н. мм
Рис. 3. Зависимость разности температур воздуха и воды за слоем пены от высоты пены для различных значений относительной влажности воздуха на входе в аппарат:
1 - ч> = 50 %; 2 - <р = 70 %; 3 - <р = 90 %.
Вторым значимым фактором, влияющим на работу ЦПА, является скорость газа м/г. Скорость газа. С увеличением скорости газа объемный коэффициент теплопередачи резко возрастает (рис. 4.).
Рис 4. Зависимость объемного коэффициента теплопередачи и разности температур от скорости газа при различных значениях высоты иены:
___ объемные коэффициент теплопередачи;
-------разность температур воздуха и воды;
1 - Н = 100 мм; 2 - Н = 200 мм; 3 - II = 300 мм; 4 - Н = 400 мм.
Следовательно, повышение скорости газа дает возможность уменьшить габариты аппарата. Кроме того, с ростом ыг, как это видно из рис. 4, глубина охлаждения газа в ЦПА в отличие от других типов контактных аппаратов увеличивается.
Скорость газа м/с
Таблица 1
Сравнительные характеристики газоохладителей
Характеристика Аппарат японской фирмы ИХИ Аппарат английской фирмы «Холмес» Аппарат норвежской фирмы ФМВ Аппарат норвежской фирмы «Ма-ритим Протекши» ЦПА
Удельный объем Ут 2,30 2,06 2,63 1,20 0,585
Отношение К//г ! Vап. ЦП А 3,94 3,53 4,50 2,06 1
Удельная масса тап 0,278 0,189 0,268 0,130 0.0525
Отношение тац / тш,црл 5.3 3,6 5,1 2,48 1
Удельная мощность А'да, 1,35 1,12 1,03 2,05 0,625
Отношение ЛГ» ^ ^ап ППА 2,16 1,78 1,65 3,28 1
Из табл. 1. видно, что габариты ЦПА примерно в (2...4,5) раза меньше, чем у аппаратов, примененных на зарубежных судах, масса и расход энергии в ЦПА также меньше: соответственно в (2,48...5,3) и (1,65...3,28) раза. Следовательно, применение ЦПА в качестве охладителей/нагревателей воздуха в судовых СКВ технически и экономически оправдано.
Однако тот факт, что после обработки в ЦПА воздух имеет повышенную влажность, обусловливает его последующее осушение до требуемых значений влажности.
3. Осушение воздуха в системе комфортного кондиционирования
3.1. Абсорбционный способ осушения воздуха с применением ЦПА От недостатков, свойственных адсорбентам, поглощающих влагу поверхностью, свободны жидкие сорбенты - абсорбенты, которые поглощают водяные пары всем своим объемом. Абсорбенты - это водные растворы солей (хлористого кальция СаС12, хлористого лития ЫС1, бромистого лития УВг и др.), упругость водяных паров над которыми заметно ниже, чем над водой при той же температуре. Последнее можно объяснить тем, что всякая система стремится сохранить свое первоначальное состояние. Следовательно, если в воду, находящуюся в равновесном состоянии со своими парами, добавить некоторое количество растворимого вещества (соли), то в соответствие с указанным принципом пары будут конденсироваться, в результате чего концентрация соли в воде будет снижаться. Конденсация паров над поверхностью раствора приведет к снижению их давления. Парциальное давление водяных паров над раствором зависит от свойств раствора, его концентрации Кр и температуры 1Р [3].
Особый интерес и практическую ценность для судовых систем комфортного кондиционирования представляют растворы хлористого кальция и хлористого лития, широко применяемые в подобных установках, в частности, за рубежом. Растворы этих солей не выделяют вредных примесей в осушаемый воздух, не оказывают сильного корродирующего действия на оборудование установок, имеют сравнительно низкую температуру регенерации и обладают достаточно высокой поглощающей способностью и глубиной осушения воздуха. Например, минимальная относительная влажность, достигаемая при применении СаС12-^ = (45...48) %, 1ЛС1- <р = (14...23) % [3].
Интенсивность процессов массообмена при абсорбции зависит от площади поверхности контакта фаз между газовой средой и жидкостью, а также от температур сред, давления в системе, концентраций компонента в газовой и жидкой фазе, физических свойств сред и многих других факторов.
ЦПА обеспечивают большую площадь поверхности контакта фаз в единице объема пены (до 1300 м2 / м3) [4], поэтому применение их в качестве абсорберов представляет большой практический интерес для процессов абсорбции водяного пара водными растворами солей. Кроме этого, ЦПА уже нашло применение в СКВ для очистки и тепловой обработки воздуха.
В существующих установках абсорбционного осушения воздуха судовых СКВ зарубежной постройки используются аппараты типа КО [11]. Однако сопоставление ЦПА с КО по осушению воздуха водными растворами солей позволило сделать следующие выводы:
1. Оптимальная скорость воздуха в ЦПА составляет 5 м/с, а в КО - 0,5 м/с. Следовательно, по скорости воздуха диаметр ЦПА в десять раз меньше диаметра КО.
2. Оптимальная высота активного пространства в ЦПА составляет 0,3 м, а в КО (1,2...2) м, поэтому по длине реакционного пространства ЦПА в (4...6) раз меньше.
3. Унос раствора из ЦПА при №г = 5 м/с составляет 0,5 мг/м3, а в КО при IV,■= 0,5 м/с - 25 мг/м ’. Следовательно, при оптимальных скоростях воздуха унос раствора ЦПА в 50 раз меньше.
4. Оптимальный коэффициент орошения в ЦПА Ь = 2,6, а в КО Ь = 6. Следовательно, при использовании ЦПА расход раствора может быть принят в два с лишним раза меньшим. Такое различие в расходах жидкости объясняется тем, что поверхность контакта взаимодействующих сред в камере орошения определяется поверхностью разбрызгиваемых капель жидкости. В ЦПА поверхность контакта взаимодействующих сред практически не зависит от расхода жидкости.
5. Ввиду того, что в ЦПА поверхность контакта определяется высотой пены и не зависит от способа подачи раствора в аппарат, в нем нет необходимости использовать форсунки для распыливания раствора. Поэтому в осушительных установках с циклонно-пенным абсорбером и десорбером нет необходимости производить фильтрацию раствора, во всяком случае в течение нескольких месяцев. При использовании камер орошения во избежание засорения форсунок раствор рекомендуется фильтровать после каждой регенерации.
6. При одинаковых температурах взаимодействующих сред в ЦПА происходит более интенсивное осушение воздуха раствором.
Сравнительные параметры работы указаны в табл. 2
Из табл. 2. видно, что при одинаковых начальных параметрах воздуха и раствора в ЦПА, коэффициент орошения в котором в 0,61 раза меньше, происходит более глубокое осушение воздуха, чем в КО. Температура точки росы воздуха после ЦПА в 1,4 раза ниже, чем после КО, а разность влагосодержаний воздуха до и после ЦПА в 1,13 раза больше, чем в КО. При этом массогабаритные характеристики ЦПА в 5 раз лучше. Поэтому использование ЦПА для осушения газов абсорбентами представляется весьма перспективным.
По мере разбавления абсорбента водой его поглотительная способность уменьшается, поэтому необходимо периодически регенерировать раствор для сохранения заданной поглотительной способности. Рассмотрим основные методы регенерации растворов.
Таблица 2
Сравнительные данные по осушению воздуха раствором ЫС1 [20 3 /
Величина Камера орошения Циклонно-пенный аппарат
Скорость воздуха, м/с 0,551 5,000
Начальная температура воздуха, °С 35,2 35,2
Начальная температура раствора, °С 25,0 25,7
Коэффициент орошения 2,80 1,72
Отношение коэффициента орошения к оптимальному 2,80/5,00 = 0,56 1,72/2,6 = 0,66
Температура точки росы воздуха, °С до аппарата 34,6 33,9
после аппарата 18,5 13,0
Влагосодержание, с1, кг/кг
до аппарата ■8,8 8,6
после аппарата 4,5 3,7
Разность влагосодержаний до и после аппарата, кг/кг 4,3 4,9
3.2. Способы регенерации растворов Десорбция влаги из растворов (регенерация абсорбента) может производиться тремя способами: сообщением абсорбенту тепла (кипячение), снижением давления жидкости и взаимодействием с десорбирующим агентом (инертным сухим газом, подогретым воздухом). Могут быть применены комбинации этих методов.
Наиболее простым и достаточно эффективным методом регенерации сорбента является разбрызгивание его в воздухе или пропускание через сорбент атмосферного воздуха. К этому методу и относится регенерация растворов в слое пены ЦПА. В этом случае полная регенерация сорбента при оптимальных условиях работы ЦПА происходит за 20 мин вместо 2,5 ч при выпаривании [3]. Следовательно, процесс регенерации сорбента в ЦПА осуществляется в 7,5 раза быстрее и значительно экономичнее. Тем более, что осушение воздуха происходит также в ЦПА.
Следовательно, и осушение воздуха, и регенерацию абсорбента целесообразно производить в ЦПА, принципиальная схема блока осушки воздуха, имеющего в своем составе такие аппараты, рассмотрена ниже.
3.3. Блок осушки воздуха с использованием ЦПА Принципиальная схема.абсорбционной установки для осушки воздуха с использованием ЦПА, предложенная автором, приведена «а рис. 5.
Влажный воздух поступает в циклонно-пенный абсорбер /, где он осушается раствором соли СаС12 до необходимого значения влажности ср = (40...60) %. С течением времени раствор обводняется и ухудшает свои абсорбционные свойства. Восстановление этих свойств осуществляется в узле регенерации. На регенерацию сорбент поступает из бака 5 через подогреватель раствора 4 в циклонно-пенный десорбер 2, где происходит непосредственный контакт подогретого раствора с атмосферным воздухом. В результате такого контакта за счет разности парциальных давлений паров воздуха и раствора влага передается от раствора к воздуху и концентрация раствора СаС12 повышается. Восстановленный раствор охлаждается в охладителе раствора 3 и вновь поступает на осушку воздуха в абсорбер. Таким образом сорбент постоянно циркулирует с определенной скоростью между двумя сорберами, образуя единый процесс - «абсорбция - десорбция».
Рис. 5 Принципиальная схема абсорбционной установки для осушки воздуха с использованием ЦПА:
1 - циклонно-пенный абсорбер; 2 - циклонно-пенный десорбер;
3 - подогреватель раствора; 4 - охладитель раствора; 5 - бак с раствором.
Приведем сравнительные характеристики различных типов осушительных установок (табл. 3.) по данным Балтсудопроекта [3].
Анализ данных табл. 9. указывает, что по всем характеристикам ЦГ1А значительно (в 1,5...6 раз) превосходит другие установки.
В результате рассмотренных данных по осушению воздуха растворами и регенерации последних при указанном пенном режиме взаимодействия фаз можно сделать вывод, что данный способ наиболее подходит для осушения воздуха в судовых СКВ.
Таблица 3
Сравнительные данные по установка.» для осушения воздуха производительностью 18000 м3/ч.
Характеристики МО Установка с ХМ Адсорбционная установка Абсорбционная установка
с КО с ЦПА
Количество удаляемой влаги, кг/ч 180 500 340 345 500
Объем установки на 1 кг удаляемой влаги, м3/кг 0,03 0,033 0,206 0,237 0,025
Масса установки на 1 кг удаляемой влаги, кг/кг 52,7 28 94,2 24 6
Расход электроэнергии на 1 кг удаляемой влаги, кВт/кг 0,11 0,32 0,08 0,08 0,05
В заключение необходимо отметить, что использование ЦПА для тепловой обработки, очистки и осушения воздуха в СКВ, позволит не только существенно повысить качество обработки кондиционируемого воздуха, но и значительно улучшить массо-
габаритные и эксплуатационные характеристики системы, минимизировать потребность в наружном приточном воздухе, исключить вторичное загрязнение обрабатываемого воздушного потока и свести к минимуму использование холодильной машины. Все это в совокупности позволит получить не только социальный, но и значительный экономический эффекты.
Список литературы
[1] Арнольд Л.В., Михайловский Г.А. и др. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1979. - 445 с.
[2] Богатых С.А. Комплексная обработка воздуха в пенных аппаратах. - Л.: Судостроение, 1964.-316 с.
[3] Богатых С.А. Циклонно-пенные аппараты. - Л.: Машиностроение, 1978. - 225 с.
[4] Богатых С.А., Каганович Л.А. и др. Исследование условий обитаемости судовых помещений при обработке воздуха в циклонно-пенных и поверхностных аппаратах // Судостроение. - 1962.
- № 5. - С. 22-27.
[5] Богословский В.Н., Конарин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснаб-жение: Учеб. для вузов. - М.: Стройиздат, 1985. - 367 с.
[6] Губернский Ю.Д.. Дмитриев М.Т. Озонно-ионный режим жилых и общественных зданий и его роль в обеспечении воздушного комфорта // Водоснабжение и санитарная техника. - 1979. -№ 1.-С. 17-18.
[7] Губернский Ю.Д., Исмаилова Д.И., Васильев П С. Целесообразность кондиционирования воздуха в различных климатических условиях // Водоснабжение и санитарная техника. - 1984.
- № 2. - С. 14-15.
[8] Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. -Л.: Судостроение, 1979. - 584 с.
[9] K.T.Fomof,G.O. Gilbert. Stress and physiological, behavioral and performance patterns of children under varied air ion levels. - Int.J.of Biometeorol., 1988, 32:260-270
[10] Карпис E.E., Карпис B E. Влияние условий эксплуатации систем кондиционирования воздуха на здоровье людей // Холодильная техника. - 1987. - N° I. - С. 58-59.
[11] Курников А.С. Создание математических моделей систем обеспечения обитаемости судов.
- Н. Новгород: ВГАВТ. 2002. - 155 с.
[12] Курников А.С., Ширшин А.С. Искусственная ионизация воздуха // Вестник ВГАВТ, вып. 13, 2005.
[13] Курников А.С., Ширшин А.С. Модернизация судовых систем комфортного кондиционирования воздуха // Тезисы докладов Международного конгресса «Великие реки 2005». 20 мая 2005.
[14] Курников А.С., Ширшин А.С. Судовые системы кондиционирования воздуха с использованием современных теплообменных аппаратов // Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи «НТТМ 2006». - 2006. - С. 54-57.
[15] Кушаковский Л.Н. Воздух должен быть чистым. - М.: Медицина, 1963. - 120 с.
[16] Мураков А.Г1. Повышение эффективности систем кондиционирования воздуха текстильных предприятий методами озонирования:Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Иваново, 1986. - 22 с.
[17] Мураков А.П., Грсбенчйков Е.Н. Повышение энергоэффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха методом озонирования // Промышленная энергетика. - 1998. -№ 6. - С. 46-47
[18] Мураков А.П., Спиридонов Ю.А., Шиков Ю.А. Искусственное озонирование воздуха в цехах текстильных предприятий //Текстильная промышленность. - 1986. -№ 11. - С. 13-15.
[19] Отопление, вентиляция и кондиционирование. Нормативы проектирования: СниП 2.04.05-91. - Введ 01.06.96 - М.: ГП ЦПП Минстроя России, 1966. - 77 с.
[20] Сидоров А.И. Ю.И. Шумяцкий Адсорбционная осушка газов: Учеб. пособие для вузов -М.: МХТИ. 1972,- 104 с.
[21] Системы кондиционирования воздуха речных судов: Учеб. пособие / В.И. Моргулсц, Н.Н. Борисов. -Н. Новгород: ВГАВТ, 1998.-41 с.
[22] Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания. Санитарные правила и нормы: СанПиН 2.5.2-703-98. - М.: Минздрав России, 1998. - 144 с.
[23] Судовые системы вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха. Требования к проектированию: РТМ 212.0123-83. - Введ. 01.07.84. - Л.: ЛИИВТ, 1984. - 64 с.
[24] Уаддн Р., Шефф П. Загрязнение воздуха в жилых и общественных зданиях. - М.: Стройиз-дат, 1987. - 160 с.
[25] Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справочник/Под ред. С.Н. Богданова. 4-е изд.. перераб. и доп. - СПб.: СПбГАХПТ, 1999. - 320 с.
[26] Bachman С.Н., McDonald R.D., Lorenz P.J. Some effects of air ion the activity of rats-Int J Bio-meteorol, 1966, v. 10, p. 39-46.
[27] Monroe A. An fresh look at ozone//New Scientist, 1964. - № 3. - pp. 35-37.
COMPLEX PROCESSING OF CONDITIONING AIR IN CYCLONE-FOAMING DEVICES
A. S. Kurnikov, A. I. Telegin, A. S. Shirshin
Ship air conditioning systems having cyclone-foaming devices as heat exchanger - air cleaners in which air is processed by ozonized water are considered. Also an effective air drying with the help of cyclone-foaming absorbers is offered.
УДК 621.314
В. В. Александров, к. т. н., профессор, ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ОБЪЕКТОВ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА
Рассмотрены основные требования к судовому электрооборудованию и, в частности, к статическим преобразователем электроэнергии. Предлагаются новые методики расчета высокочастотных преобразователей.
Энергетические системы современных судов - эго сложные автономные комплексы, объединяющие разнообразные электромашинные, статические и полупроводниковые технические устройства, которые связаны электрически, магнитно и информационно. Они предназначены для обеспечения эффективного и экономичного функционирования потребителей в различных режимах работы судна.
Изучение основ электротехники, принципов действия электрических машин и аппаратов, работы схем электроприводов, устройств судовой автоматики и преобразовательной техники необходимо для будущих инженеров, готовящих себя к решению задач проектирования, постройки судовых электроэнергетических систем и устройств и их эксплуатации. Создание технических средств освоения шельфа, плавкранострое-ния, портов, судостроительных и судоремонтных заводов в нашей стране требует развития соответствующих узких специализаций, повышения уровня электротехнической подготовки инженерно-технических работников.
В современной электротехнике выделяются три основные области: энергетическая, технологическая и информационная.
Энергетическая область охватывает производство, преобразование и передачу электрической энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях (тепловых, атомных, гидроэлектростанциях и др.) путем преобразования других видов энергии (тепловой, получаемой в результате сжигания нефти, газа, угля и других
