CC BY
17
УДК 622.413.4.622.481
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ БРОСОВОЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ТЕПЛО СЖАТИЯ КОМПРЕССОРОВ
Ю. В. Скрыпников, аспирант
Проблема. Для поддержания оптимальных температурных параметров в рабочей зоне производственных помещений необходимо использование новых, более экономичных технологий в системах отопления. Такой технологией является использование бросового низкопотенциального тепла сжатия компрессорных установок.
Рис. 1. Принципиальная схема прямоточной системы кондиционирования воздуха: 1 - воздухозаборное устройство; 2 - приемный клапан; 3 - секция обслуживания;
4 - фильтр для воздуха; 5 - воздухонагреватели первого подогрева; 6 - оросительная камера; 7 - воздухонагреватель второго подогрева; 8 - вентилятор кондиционера; 9 - воздуховод приточного воздуха; 10 - кондиционируемое помещение; 11 - воздуховод удаляемого воздуха; 12 - вытяжной вентилятор с электродвигателем; 13 - воздуховод для
выброса в атмосферу; 14 - воздушный клапан
Постановка задачи. Общий объемный расход воздуха для нагрева постоянен (G0 = const). Тепло сжатия компрессорной установки забирается водой охладителей с расходом W0 и температурой tw. Этот теплоноситель подается на форсуночную камеру общей суммарной производительностью по воздуху Gn. Необходимо поддерживать температуру воздуха с расходом G0 (т. е. температуру смеси нагретого в форсуночной камере воздуха и наружного воздуха) равной оптимальной температуре воздуха (^м) при изменении температуры окружающей среды от 0 до -37 оС. В зависимости от температуры теплоносителя (температуры охлаждающей воды и расхода подогреваемого воздуха) использование наружного воздуха может оказаться нецелесообразным, чтобы не допустить изменения рабочей разности температур охлаждающей воды охладителей сжатого воздуха с расходом W0.
Методика исследований. Математическое описание системы связано с наличием ограничений. В данном случае к ним следует отнести: ограничения на суммарную производительность контактного теплообменника G^ < W0; ограничение на располагаемое тепло, или ограничение, накладываемое работой компрессорных установок в технологическом режиме Q y< Q1, где Qy - тепло, утилизируемое для нагрева воздуха, поступающего в производственное помещение; ограничение, накладываемое ДСН 3.3.6.042-99 в производственных помещениях - tсм > tоп, где tсм - температура воздуха, поступающего в
помещение. Из уравнения теплового баланса для расходов G0 и Gп получим соотношение, являющееся математическим выражением этого ограничения:
12 = Go G~n\tCM - t н ) + t н . (1)
При фиксированном значении параметра гсм выражение представляет собой уравнение плоскости:
г2 = у(гн • а0 • а;1), (2)
ограничение на пределы изменения температуры наружного воздуха: -37°С < гн < 0°С; ограничения на весовые скорости воздуха в контактном аппарате: Vтп < Уо < Уо""*; требование постоянства рабочей разности температур для прямой и обратной воды, охладителей компрессорных установок.
Взаимосвязь между переменными определяется критериальным уравнением тепломассообмена в форсуночной камере.
Таблица 1
Расчетные уравнения, полученные по результатам экспериментальных исследований
Характеристика конструктивных вариантов Диаметры выходных отверстий и плотность их размещения Расчетные уравнения Диапазон измерения коэффициента орошения
1. Типовая двурядная камера без конструктивных дополнений. Распыление воды взаимосвязанное п=18; шт/м2 а=5 мм п=18; шт/м2 о=2,5мм п=10; шт/м2 о=5 мм п=14; шт/м2 о=5 мм Ы =0,52(1+М1Я)Я"03В0'53 и =0,6(1+М1Я)Я-03В10'65 & =0,587(1+М1Я)Я"103В0'5 & =0,53(1+М1Я)Я1"0,3В10,46 0,9 - 2,6 0,3 - 1,3 0,9 - 2,5 0,9 - 2,5
2. Однорядная камера с распылением воды по потоку воздуха п=18; шт/м2 0=5мм п=18; шт/м2 0=2,5мм п=18; шт/м2 0=5мм & =0,5(1+М1Я)Я-0,3В10,7 & =0,532(1+М1Я)Я"0,3В0,69 Ы =0,7(1+М1Я)Я03В 0,5 - 1,6 0,43 - 0,7 0,2 - 0
3. Типовая двурядная камера с капроновой сеткой между радиаторами. Распыление воды взаимовстречное п=18; шт/м2 0=5мм п=18; шт/м2 0=2,5мм Ы =0,52(1+М1Я)Я"02В0'53 & =0,571(1+М1Я)Я"0'3В0'69 0,9 - 2 0,5 - 1
4. Двурядная камера с приточными патрубками вместо входного сепаратора. Распыление воды взаимовстречное п=18; шт/м2 0=5мм п=18; шт/м2 0=2,5мм Ы =0,443(1+М1Я)Я"03В & =0,525(1+М1Я)Я"0,3В0,66 0,9 - 2,6 0,5 - 1,3
Для выбранного типа форсуночной камеры 0,52
II -12 С(гн -гр)
г - г 1 + —-
г - г
н р
г р- Рл
1 + 2,34—-*
г -г
р V
Г Л-о,з ' Р - Р ^ 1 + 2,34—-*
г - г
р «у
• В
0,53
(3)
при этом 11 = С • гн + 0,622-
Р,,
(567,4 + 0,43 • гн),
760 - Рн
где 11, гр, Рн, С - соответственно энтальпия температуры наружного воздуха и точки росы, парциальное давление, удельная теплоемкость;
12, г2 - соответственно энтальпия и температура обработанного воздуха; Р„ - парциальное давление над поверхностью воды; В - коэффициент орошения.
Допуская, что гигрометрическая разность гн - гр ~ 3 на интересующем нас диапазоне изменения гн, получаем:
12 = -0,37
P - Р
1 +1 / 3(t, - tw - 3) • (1 + 2,34w)
t -1
н w
P - P 1 + 2,34-^ w
t н tw У
• В0'53 + С • t +
+ 0,622-
Р
(567,4 + 0,43 • 0,)
760 - Р,
Фиксируя tw при QH = const, в диапазоне изменения гидродинамических русловий когда выполняются условия подобия процессов тепломассообмена, в контактах теплообменников (В = 0,9 - 2,7) получим ряд зависимостей I2 = f2(QH).
Воздух после обработки в контактном теплообменнике доводится до состояния насыщения фн =100%.
Влагосодержание
Рис. 2. Процесс нагрева воздуха в контактном аппарате
При допущении незначительного колебания относительной влажности наружного воздуха температура воздуха на выходе из контактного аппарата является функцией трех переменных и представляет собой гиперповерхность четвертого порядка:
г 2 =¥г(Ян, К, В) , (5)
где В - коэффициент орошения, характеризующий гидродинамику тепловлажностной обработки воздуха в контактном аппарате.
Так как после обработки в контактном теплообменнике воздух доводится до фн = 100%, для фиксированных значений гм; и В получим зависимость:
г 2 = /Ж) , (6)
Уравнение (5) решено на ЭЦВМ Е С1020 в интервале -37 0С < гн < 0 0С (рис.3), где представлено семейство кривых, показывающих изменение температуры подогреваемого воздуха г2 в зависимости от ()н для температуры теплоносителя гм; = 30 0С и значении 0,9 < В <2,7. На этом же рисунке представлены прямые, показывающие, как должна изменяться температура подогреваемого воздуха г2 для различных значений О0/Оп при выполнении условия гсм = гопт.
Определение закономерности изменения температуры воды, поступающей на охладители компрессора после процесса нагрева воздуха в контактном теплообменнике, является необходимым условием для использования тепла сжатого воздуха и выбора режима работы установки в предположении о малом колебании относительной влажности наружного воздуха на интересующем нас диапазоне изменения температуры наружного воздуха.
Уравнением, определяющим температуру теплоносителя, поступающего на охладитель компрессора после процесса обработки наружного воздуха в контактном теплообменнике, является функция переменных:
(7)
t.
y3 (Q,, tw, B,(W • W0)-1) .
При (ЖЖ0)- =1 функция (7) описывает изменение температуры в поддоне контактного теплообменника.
Рис. 3. Определение параметров системы: а - температурный и тепловой режимы; б - коэффициент орошения и расход теплоносителя; 1-10-00/0р=2,18; 1,7; 1,6; 1,5; 1,4; 1,3 ;1,2; 1,2; 1,1; 1.
Уравнение теплового баланса между теплоносителем, идущим на форсуночную камеру, и подогреваемым воздухом имеет вид:
Подставляя разделяя обе получим:
Gn (12
в уравнение (8) части уравнения
11) = W(tw - tw2) ,
(8)
значение (8) на
w,
из уравнения (2) и после преобразований
tw 2 = tw + 0,37
1 + 1/3(t„ - tw3 )(1 + 2,34
P - P
t,, -1
-3
1 + 2,34
Р - P
н w
t -1 "3
1н lw У
\ -0.3
• B
-0,47
, (9)
Из общего расхода воды в системе охлаждения воздухоохладителя определим расход воды, поступающей в контактный теплообменник:
Wo(tw - С ) = W (tw - tw 2),
откуда
t см = t
lw lw
—(
w {tw
tw 2)
(10)
где tw2 определяется из соотношения (9).
При tw = const, фн = const, W/W0 = const уравнения (8) и (9) представляют зависимости температуры воды в поддоне форсуночной камеры 12 = f2 (QH) и зависимости температуры
воды с расходом W0 после обработки воздуха в форсуночной камере t^ = f3(QH)от
температуры наружного воздуха. Конкретный вид функции может быть получен путем решения уравнения теплового баланса для контактирующих сред. Уравнения (8 - 9) решены на ЭВМ ЕС-1020 для следующих значений переменных: -37 0С < t < 0 0C; 0,9 < В < 2,7; 1 < GoG-1n < 3; 10 0C < tw< 50 0C; 0,1 < WWJo = 1.
Заключение. Результаты лабораторных исследований эффективности предлагаемой системы приведены в таблице 2.
Графическая интерпретация решения этих уравнений (рис. 4 б) позволяет рассчитывать и сравнивать термодинамические характеристики установки во всей области изменения температур наружного воздуха и режимов ее работы: для исследуемого режима получать значения производительности контактного теплообменника, обеспечивающего этот режим; рассчитывать температуру QH1 наружного воздуха, до которой установка данной производительности обеспечивает выполнение условия tCM > 2 0С (параметр QH1 находится как
2
w
абсцисса, точки пересечения плоскости О0Оп-1) и гиперповерхности ср2(^н, В);
определять зависимость для излишка или дефицита тепла Ад, сообщаемого воздуху с расходом Оп в процессе работы установки, как функцию Qн при -37 0С < t < 0 0С; определять зависимость отводимого и подводимого тепла д„ с целью поддержания постоянной рабочей разности температур теплоносителя с расходом Ж0 ( как функцию 1н при -37 0С < Qн < 0 0С).
Полученные зависимости и величины необходимы для определения конкретного вида функциональных зависимостей, входящих в целевую функцию. Например, зависимость дк^н) требуется для определения параметров теплообменника, реализующего тепло сжатого воздуха, и, следовательно, его технико-экономических характеристик.
Таблица 2
Результаты исследований процессов нагрева воздуха в форсуночной камере
кондиционера КД-10
Температура воды, оС Охлаждение воды, оС Температура воздуха, оС Общий подогрев воздуха, оС Коэф. орошения
перед камерой после камеры перед камерой в поддоне камеры
-21,8 +1,7 23 17,4 11,0 6,4 1,2
-21,0 +7,1 28,1 25,2 16,9 8,3 1,2
-21,0 +2,2 23,2 19,8 12,2 7,6 1,0
-20,3 +2,7 23,0 16,0 10,4 5,6 1,4
-18,0 +2,0 18,0 10,8 6,4 4,4 1,5
-18,0 +2,2 20,0 19,8 12,0 7,8 1,0
-17,8 +2,2 22,0 19,8 12,2 7,6 1,2
-17,3 +3,0 20,3 10,3 7,0 3,3 1,2
-17,3 +6,0 23,3 25,5 16,6 8,9 1,0
-17,0 -3,8 13,2 12,0 7,9 4,1 1
-17,0 5,4 22,4 25,0 16,9 8,1 1
-14,5 -0,5 14,0 10,0 6,2 3,8 1
-14,5 12,4 26,9 35,0 23,6 11,4 0,92
-8,0 +8,1 16,1 15,3 11,2 4,1 1,75
-7,0 8,5 15,7 25,85 18,25 7,6 0,83
-2,1 10,3 12,4 30,0 21,3 8,7 0,67
-2,0 10,8 12,8 35,0 24,7 11,3 0,67
-2,0 12,4 14,4 40,0 28,2 11,8 0,67
3,5 12,1 8,6 25,1 19,7 5,4 1
Если температура нагретого в форсуночной камере воздуха ниже tопт, то дальнейшая обработка воздуха осуществляется в камере второго подогрева, где воздух догревается до температуры t = 1опш Количество тепла, которое передается воздуху, определяется уравнением:
Q = О0(12 -1з) = -, (11)
где 13 - конечная воздуха на выходе из калорифера, кДж/кг; к - коэффициент теплопередачи калорифера, Вт/м 2оС; ^ - поверхность нагрева калорифера, м2 tср - средняя температура теплоносителя, С; t2 - конечная температура воздуха, оС;
t3 - температура воздуха, нагретого в форсуночной камере, оС.
Нагретый до t температуры tопт воздух поступает в производственные помещения.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1. Скрыпников В. Б., Флоров С. В. Выбор режимов испарительного нагрева при поддержании стабильной температуры в шахтном стволе. //Изв. вузов. Горный журнал. - 1979. - № 4. - С.95 - 98.
2. Скрыпников В. Б. Параметры отопительного режима установки, использующей низкопотенциальное тепло. //Изв. вузов. Горный журнал. - 1980. - №10. - С. 95 - 98.
3. Скрыпников В. Б. Использование тепла сжатого воздуха для подогрева вентиляционного воздуха. //Изв. вузов. Горный журнал. - 1980. - № 11. - С. 92 - 96.
4. Опытно-промышленная установка для обогрева ствола шахты сбросным низкопотенциальным теплом компрессорных установок /Скрыпников В. Б., Глебов В. Д., Воробьев Е. А., Небылица В. В. /Уголь Украины. - 1993. - № 3. - С. 41 - 43.
УДК 622.413.4.622.481
Методика расчета системы обеспечения оптимальных температурных параметров, использующей бросовое низкопотенциальное тепло сжатия компрессора /Ю. В. Скрыпников //Вкник ПридншровськоТ державноТ академп бущвництва та архiтектури. -Дншропетровськ: ПДАБА, 2009. - № 4. С.7 - 14. - Бiблiогр.: (4 назв).
Приведена принципиально новая методика расчета нагрева наружного воздуха, подаваемого в помещение в осенне-зимний период, с использованием контактного способа нагрева воздуха низкопотенциальным бросовым теплом компрессоров. Воздух нагревается до плюсовой температуры, дальнейший его нагрев осуществляется в калориферах. Охлажденная вода подается на охладители компрессора.
