CC BY
19УДК 621.59
С. А. Г а р а н о в, Л. Б. В о л о к и т и н, О. Б. Б и о н ы ш е в
ПРИМЕНЕНИЕ В СКВ
"КОСВЕННО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ЧИЛЛЕРА"
Рассмотрены различные способы организации испарительного охлаждения воды. Приведены сравнительный анализ указанных способов, границы применимости предлагаемого способа.
E-mail: garanov-sergei@yandex.ru
Ключевые слова: испарительное охлаждение, градирня, кондиционирование воздуха.
Для снижения расхода воды, используемой в качестве охлаждающей среды в технологических аппаратах (промежуточных и концевых теплообменниках компрессоров, конденсаторах холодильных машин и т.п.), обычно применяют оборотное водоснабжение. Для повторного использования нагретую воду охлаждают в вентиляторной градирне — контактном аппарате, где вода охлаждается за счет своего частичного испарения в потоке наружного воздуха. Конечная температура охлажденной воды зависит от конструктивных факторов градирни и параметров наружного воздуха.
Данный способ прямого испарительного охлаждения воды основан на термодинамической неравновесности атмосферного воздуха и психрометрической разности температур сухого и мокрого термометров, которая является возобновляемым энергоресурсом для получения холода.
Совершенствованию процессов тепломассообмена в градирнях в целях снижения температуры охлажденной воды посвящен ряд работ, но все усовершенствования конструкций градирни лишь приближают значение конечной температуры охлажденной воды к ее теоретическому пределу охлаждения, которым является температура влажного термометра наружного воздуха. Практически вода в градирнях охлаждается до температуры на 3... 5 °С выше температуры мокрого термометра наружного воздуха.
Одним из решений, позволяющих дополнительно снизить температуру охлажденной в градирне воды, является предварительное охлаждение (при постоянном влагосодержании dn) наружного воздуха перед подачей его в градирню, т.е. переход к косвенно-испарительному охлаждению.
Предложения по снижению температуры охлажденной воды в градирне. В целях повышения охлаждающей мощности градирни и снижения теоретического предела охлаждения воды ниже температуры по мокрому термометру наружного воздуха было разработано
Рис. 1. Принципиальная схема градирни на основе косвенно-испарительного охлаждения:
1 — корпус; 2 — насадка; 3 — форсунка; 4 — каплеуловитель; 5 — пластинчатый теплообменник; 6 — бак для воды; 7 — насос; 8 — вентилятор; а, б — шиберы; в, г — вентили
устройство [1], в котором наружный воздух предварительно охлаждается в пластинчатом теплообменнике охлажденным и увлажненным воздухом, выходящим из градирни (рис. 1).
Проведенные расчеты показывают, что в среднем на каждые 40 С охлаждения наружного воздуха перед подачей его в градирню мы получим дополнительное снижение температуры на 1 0С охлажденной воды, следовательно, при реализации данного предложения эффект дополнительного снижения температуры воды составит всего лишь 1... 1,5 0 С.
Более заметное дополнительное охлаждение воды возможно получить лишь при более глубоком предварительном охлаждении наружного воздуха, для чего в работе [2] предложено предварительно охладить наружный воздух в теплообменнике регенеративного косвенного испарительного охлаждения (РКИО).
В этом противоточном теплообменнике используются два типа чередующихся каналов: сухие и влажные, где воздух по-разному изменяет свои параметры, при этом воздух во влажные каналы поступает после своего предварительного охлаждения в сухих каналах (рис. 2).
Рис. 2. Способ регенеративного косвенного испарительного охлаждения воздуха
Чередование каналов выполняется с использованием специального материала, например мипласта, у которого одна сторона имеет капиллярно-пористую поверхность, способную впитывать и сохранять в своей структуре воду, а другая — водонепроницаемую. Во влажных каналах температура воздуха снижается вследствие его контакта со смоченной водой капиллярно-пористой поверхностью. В сухих каналах воздух изолирован от контакта с водой и его температура и энтальпия снижаются вследствие охлаждения от стенки канала, которая имеет температуру, определяемую процессами в соседних влажных каналах. В сухих каналах воздух охлаждается при dn = const, поэтому предельной температурой его охлаждения будет точка росы ¿пред = £т.р.
Охлажденный в сухих каналах теплообменника РКИО воздух поступает в противоточную градирню, где вода охлаждается ввиду своего частичного испарения до температуры, близкой к температуре точки росы наружного воздуха.
Недостатком этого способа охлаждения воды можно считать лишь использование сразу двух тепломассообменных аппаратов (градирни и теплообменника РКИО).
Ранее в работе [3] был предложен метод охлаждения воздуха и воды (в пределе до температуры росы наружного воздуха) с использованием градирни в качестве тепломассообменного аппарата и проти-воточного теплообменника (типа воздух-вода) для предварительного охлаждения наружного воздуха (рис. 3).
Часть охлажденного в теплообменнике воздуха (Св) направляется в градирню, другую часть (Ср) предлагается использовать в качестве приточного воздуха СКВ. Часть охлажденной в градирне воды поступает в противоточный теплообменник для охлаждения воздуха, другая часть отводится к потребителю, где может быть использована в целях охлаждения воздуха и технологического оборудования.
Рассматриваемые процессы, происходящие в схеме, для наглядности приведены в i-d диаграмме на рис.4.
Практически по этой же схеме, причем с полезным использованием для потребителя только охлажденной воды, авторами работы [4] был реализован косвенно-испарительный водоохладитель-чиллер, который применен в качестве источника холодной воды (чиллера) в СКВ ряда общественных зданий в городах Китая (рис. 5).
Косвенно-испарительный чиллер состоит из двух водо-воздушных противоточных теплообменников 1, противоточной градирни 2, водяного насоса 3, вытяжного вентилятора 4. Наружный воздух поступает в точку О, и сначала поступает в теплообменники воздух-вода для предварительного охлаждения до точки А, причем количество охлаждающей воды в теплообменнике определяется из условия равенства
Рис. 3. Принципиальная схема работы регенеративной косвенно-испарительной системы охлаждения воздуха и воды с градирней:
В — вентилятор; Гр — градирня; ТО — теплообменник; ОС — окружающая среда; Со, Со.в — основные массовые расходы охлаждаемого воздуха и охлаждающей воды;
— рабочий массовый расход воздуха (направляемый к потребителю); — массовый расход воздуха вспомогательного потока; Н — насос; У — увлажнитель воздуха
Рис. 4. Диаграмма 1-й процессов, происходящих в системе с основным, вспомогательным потоками воздуха и потоком, направляемым потребителю
Рис. 5. Принцип работы водоохладителя (чиллера) СКВ (а), структура косвенного испарительного охладителя (б), процесс производства холодной воды в 1-й диаграмме
водяных эквивалентов потоков воздуха и воды. Затем охлажденный воздух поступает в градирню и используется для испарительного охлаждения воды, меньшая часть которой затем направляется на охлаждение воздуха в противоточных теплообменниках 1, а большая часть охлажденной воды поступает в СКВ здания (рис. 6).
По результатам испытаний опытно-промышленной установки, работающей по принципу косвенно-испарительного чиллера [4], часть которых представлена на рис. 7 и 8, сделаны следующие выводы:
— температура охлажденной в косвенно-испарительном чиллере воды находится между температурами точки росы £т.р и влажного тер-
Рис. 6. Схема СКВ с использованием косвенно-испарительного чиллера
Рис. 7. Результаты испытаний косвенно-испарительного чиллера:
1,2 — температура воздуха по сухому (£сух) и влажному (£вл) термометрам; 3 — температура охлажденной воды (£воды); 4 — температура точки росы воздуха (£тр)
мометра £вл наружного воздуха, причем ее значение можно оценить как среднее значение этих характерных температур (см. рис. 7);
— температура охлажденной в косвенно-испарительном чиллере воды на 2... 40С выше температуры точки росы наружнего воздуха (см. рис. 8).
При температуре точки росы наружнего воздуха около 15 0С вода охлаждается до температуры 18 0С, а так как электроэнергию потребляют только вытяжной вентилятор и циркуляционный насос, то холодильный коэффициент косвенно-испарительного чиллера в этом режиме составлял 8-10. При снижении температуры точки росы наружнего воздуха до 100 С соответственно снижается и температура
Рис. 8. Зависимость температуры воды на выходе косвенно-испарительного чиллера от температуры точки росы наружнего воздуха
охлажденной воды, а холодильный коэффициент чиллера повышается до 18.
Авторы работы [4] отмечают, что поскольку это первое практическое использование косвенно-испарительного чиллера, то конструкция его не была оптимизирована. Среди недостатков конструкции и оборудования отмечаются: недостаточная теплообменная поверхность теплообменников воздух-вода, недостаточная производительность вытяжного вентилятора.
Эти недостатки были учтены при разработке конструкции нового косвенно-испарительного чиллера. К 2010 г. косвенно-испарительные чиллеры и СКВ с их использованием были приняты в более чем 15 проектах, для обслуживания помещений общественных зданий общей площадью около 120 000 м2 в Синьцзяне (Китай). Холодопроизводи-тельность установленных чиллеров составляет от 120 до 700 кВт. В этих зданиях косвенно-испарительного чиллеры были использованы в качестве источника охлаждения системы кондиционирования воздуха, производя холодную воду с температурой 16... 190С. Результаты испытаний показывают, что температуры воздуха в кондиционируемых помещениях составляют 24... 270С, а относительная влажность 50... 65 %, что соответствует комфортным условиям [4].
Следовательно, в регионах с жарким и сухим климатом энергосберегающий косвенно-испарительный чиллер может быть успешно использован как источник холодной воды для СКВ, заменяя традиционные парокомпрессионные чиллеры.
В работах, посвященных разработкам и исследованиям процессов и тепломассообменных аппаратов РКИО, неоднократно отмечалось, что применение таких аппаратов в целях кондиционирования воздуха эффективно при значениях массового содержания водяного пара в воздухе ¿н < 13 г/кг, что соответствует температуре точки росы наружного воздуха £тр < 180С.
Для Москвы расчетные климатические условия при проектировании СКВ первого класса (параметры "Б" по СНиП 2-04-05-91 *): ро.с = 99 кПа; £о.с = 28,50С; Нос = 54 кДж/кг.
Этим условиям соответствует следующие параметры: ^о.с = 40 %; = 9,9 г/кг; £т.р = 13,60С; £вл = 18,70С.
При таких расчетных параметрах наружного воздуха косвенно-испарительный чиллер может охладить воду до температуры 16,2 0С, что позволит использовать данное техническое решение при кондиционировании общественных и производственных зданий в Москве и московском регионе.
Необходимо также рассмотреть возможность использования косвенно-испарительного чиллера в СКВ при предельных значениях климатических параметров. Такими, например, для московского региона являлись экстремально высокие значения в конце июля 2010 г. На рис. 9 представлены значения температур воздуха (по сухому термометру) и температуры росы воздуха, зафиксированные метеостанцией "Москва-ВВЦ" с 23 по 29 июля 2010 г. Там же приведены расчетные значения температуры воздуха по влажному термометру и температуры охлажденной воды (при использовании косвенно-испарительного чиллера).
Приведенные данные показывают, что даже для московского региона, считающегося умеренным по влажности, данный метод при экстремальных климатических параметрах июля 2010 г. позволяет охлаждать воду до температуры 19±20С, что дает возможность СКВ обеспечивать допустимые параметры микроклимата в общественных зданиях и производственных помещениях.
Рис. 9. Значения характерных температур наружного воздуха и достижимой температуры охлаждения воды (г.Москва, июль 2010г.):
1 ^сух; 2 ^вл; 3 ^воды; 4 ^т.р
Предложенный метод охлаждения воды для СКВ может дать еще больший эффект для регионов с сухим жарким климатом.
Для широкого применения предложенного энергосберегающего метода кондиционирования необходимы современные эффективные решения, позволяющие использовать холодную воду с температурой 18... 20 °C для комфортного кондиционирования помещений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АверкинА. Г., Еремкин А. И., Миронов К. В. Градирня на основе косвенно-испарительного охлаждения воздуха // Инженерные системы. АВОК
- Северо-Запад. - 2008. - № 4 (37). - С. 68-70.
2. АрсирийВ. А., Тамер Н. А. Баннура. Охлаждение воды в градирне до точки росы атмосферного воздуха // Труды Одесского политех. ун-та. - 2009.
- Вып. 2 (32). - С. 73-77.
3. Фролов Ю. Д., Г а р а н о в С. А., Бионышев О. Б., Жаров А. А. Тепловой расчет регенеративного косвенно-испарительного цикла охлаждения воздуха // Вестник Междунар. акад. холода (М.). 2001. - Вып. 3. - С. 29-32.
4. XiaoyunXie, Yi Jiang. An indirect evaporative chiller // Front. Energy Power Eng. China 2010, 4(1): P. 66-76.
Статья поступила в редакцию 27.06.2012
