CC BY
80
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 697.972
Е.В. Тарасова, А.С. Штым
ТАРАСОВА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА - старший преподаватель кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: lotos.t.e@mail.ru
ШТЫМ АЛЛА СИЛЬВЕСТРОВНА - кандидат технических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: shtym_alla@mail.ru
СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АККУМУЛЯТОРОВ ЕСТЕСТВЕННОГО ХОЛОДА
В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
Классифицированы и проанализированы существующие схемы кондиционирования воздуха с сезонными аккумуляторами естественного холода. Намечены пути совершенствования холодохранилищ, представлены новые конструкции аккумуляторов холода, разработанные на основе проведенного анализа.
Ключевые слова: сезонная аккумуляция холода, кондиционирование, холодогенератор, естественный источник холода.
The schemes and designs of natural cold accumulators in air-conditioning systems. Elena V. Tarasova, Alla S. Shtym - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The paper deals with the existing schemes of air conditioners having seasonal accumulators of natural cold. It offers the ways to improve cold storages and presents new designs of cold storage accumulators based on the results of research works.
Key words: seasonal cold accumulation, air conditioning, cold storage, natural cold source.
Увеличение потребления энергии в теплый период года, связанное с возрастающими требованиями к комфортным условиям в помещениях различного назначения, приводит к возрастающей необходимости использования энергосберегающих технологий. Сезонная аккумуляция холода в системах холодоснабжения зданий с использованием возобновляемого естественного источника холода (снега или льда) является одним из способов уменьшения потребления энергии и экономически выгодным инженерным решением.
Территория России обладает огромными запасами холода, который может успешно использоваться в короткий период жаркого лета. Таким образом, применение аккумуляции хо-
© Тарасова Е.В., Штым А.С., 2012
лода в системах холодоснабжения зданий с использованием снега или льда имеет широкие перспективы развития как энергосберегающая технология.
Цель настоящей работы - проанализировать существующие технические решения хо-лодохранилищ в системах кондиционирования воздуха и представить новые конструкции аккумуляторов естественного холода, разработанные на основе проведенного анализа.
Технические решения холодохранилищ можно разделить на два основных класса: рабочим телом является воздух; рабочим телом является жидкость.
На рис. 1 представлена разработанная классификация схем холодоснабжения, использующих естественный источник холода.
В России наибольшую известность получила схема стаивания естественного льда в бунте по методу В.А. Бобкова (рис. 2) (см. [3]). Такая схема может быть использована для любых систем кондиционирования воздуха при наличии центрального кондиционера.
Рис. 2. Схема стаивания естественного льда в бунте по методу В.А. Бобкова. 1 - лед; 2 - насыпная изоляция, 3 - трехходовой клапан, 4 - регулятор температуры, 5 - кондиционер, 6 - поверхностный воздухоохладитель, 7 - насос, 8 - фильтр, 9 - слив воды в канализацию, 10 - приямок для талой воды, 11- гравийный фильтр, 12 - площадка, 13 - коллектор отепленной воды
Основные способы заготовки естественного льда: вырезание или выкалывание льдин из водоемов; послойное намораживание льда на площадках; намораживание сосульчатого льда в градирнях.
Более сложными являются схемы с циркуляцией талой воды через промежуточный теплообменник (рис. 3). Талая вода, проходя через теплообменник, охлаждает жидкий холодоноситель [3].
Рис. 1. Классификация схем холодохраиилищ
Рис. 3. Схема охлаждения жидкого холодоно-сителя талой водой с помощью теплообменника
лед или снег
В схему включен промежуточный во-до-водяной теплообменник, что позволяет использовать даже загрязненную талую воду, но приводит к удорожанию системы кондиционирования воздуха (далее СКВ), так как необходимо дополнительное оборудование.
Полностью исключить искусственное перемещение талой воды позволяет схема с использованием теплообменника, расположенного в нижней зоне холодохранилища (рис. 4).
Дополнительные затраты энергии для перемещения жидкого холодоносителя от хо-лодохранилища к воздухоохладителю являются недостатком этих схем. В то же время дополнительный жидкостный контур упрощает управление системой охлаждения и позволяет перемещать охлажденную жидкость на расстояние, определяемое возможностями насоса в жидкостном контуре и свойствами теплоизоляции труб.
Схемы СКВ с охлаждением воздуха внутри холодохранилищ исключают дополнительные затраты энергии на перемещение промежуточного жидкого холодоносителя, но требуют хорошей теплоизоляции воздуховодов и близкого расположения охлаждаемого помещения и холодохранилища. Наиболее простая схема контактного охлаждения воздуха льдом представлена на рис. 5. Единственным элементом, потребляющим электроэнергию, является вентилятор. Установка относительно компактна, но требует постоянного слежения за количеством льда и его загрузкой в генератор холода [5].
Данную схему целесообразно применять для небольших помещений с малой и непродолжительной суточной нагрузкой на систему охлаждения.
На рис. 6 представлена более сложная система контактного охлаждения воздуха внутри холодохранилища. Данная схема нашла применение в Японии для создания комфортных условий в больших офисных и общественных помещениях [6]. Система позволяет регулировать количество наружного приточного воздуха в зависимости от его температуры и влажности.
Рис. 4. Схема охлаждения жидкого холодоно-сителя с помощью теплообменника в холодо-хранилище
Рис. 5. Генератор холода для воздуходувного охлаждения. 1 - вентилятор, 2 - всасывающий канал, 3 - нагнетательный канал, 4 - решетки, 5 - бак с изоляцией, 6 - кран спуска рассола
Рис. 6. Схема СКВ с регулированием количества наружного приточного воздуха в зависимости от его температуры и влажности
Рис. 7. Смешанная схема системы охлаждения воздуха
Существуют и смешанные схемы, которые включают как контактное охлаждение воздуха естественным источником холода, так и дополнительный контур с талой водой (рис. 7) [2].
Дублирование систем охлаждения воздуха может быть выгодным, если в охлаждаемом здании имеются помещения, разные по типу и режиму работы. Например, на первом этаже находятся офисы, а на втором - конференц-зал, в котором требуется периодическое охлаждение с малой инерционностью. Наличие двух контуров охлаждения приводит к значительному усложнению схемы и к увеличению капиталовложений.
На основе анализа рабо-
ты конструктивных схем снего- и льдохранилищ можно предложить следующие пути совершенствования холодохранилищ, включающие разработку:
- новых конструкций аккумуляторов льда, имеющих развитую поверхность бесконтактного теплообмена между льдом и охлаждаемым воздухом;
- новых конструкций жидкостных теплообменников внутри холодохранилищ с целью повышение их эффективности;
- новых устройств контактного теплообмена воздуха с естественным источником холода с целью повышения эффективности охлаждения воздуха внутри холодохранилищ;
- новых конструктивных схем аккумуляторов с целью уменьшение потерь холода через ограждающие конструкции холодохранилищ при хранении естественных источников холода.
В результате исследования процессов, протекающих в сезонных аккумуляторах естественного холода, и выявленных путей их совершенствования разработаны новые конструкции холодохранилищ.
Предложено техническое решение источника холода (рис. 8, 9), его научная новизна подтверждена патентом РФ [3], которое относится к области теплообменных устройств, предназначенных для охлаждения жидких рабочих сред за счет утилизации источника холода в виде тающего льда или снега, и может быть использовано в системах кондиционирования помещений.
Целью изобретения является интенсификация процессов теплообмена между талой водой снежно-ледяного массива и охлаждаемой жидкостью, разделенными поверхностями теплопередачи.
Рис. 8. Поперечный разрез холодогенератора Рис. 9. Продольный разрез холодогенератора
Холодоисточник состоит из корпуса прямоугольной формы (1) с двойными стенками, полость (4) между которыми вакуумирована. Давление воздуха внутри полости 0,003 МПа. Корпус и крышка (2) покрыты теплоизоляцией. Внутри корпуса по ходу движения охлаждаемой воды размещаются: трубчатый экономайзерный теплообменник (18), погруженный в талую воду (7), он имеет наружное оребрение квадратной формы; промежуточный капельно-ударный теплообменник (6); контактный теплообменник (5), размещенный в верхней части. Каждый теплообменник снабжен горизонтально расположенными коллекторами (17) для равномерной подачи и отвода жидкости. Данная конструкция позволяет последовательно реализовать различные виды теплосъема, с обеспечением максимального перепада температур охлаждающего агента и охлаждаемой жидкости в пределах каждого типа работы теплообменника (наиболее нагретая охлаждаемая жидкость взаимодействует с более нагретой охлаждающей жидкостью).
На второй ступени (капельно-ударный теплообменник) происходит интенсифицированный процесс теплообмена между талой водой и цилиндрической поверхностью каплеобразных профилированных трубок, с организацией дополнительного интенсивного теплообмена при тонкопленочном режиме истекания на профилированной поверхности.
Для обеспечения капельно-ударного способа теплообмена в промежуточном теплообменнике (6), его горизонтальные трубы (10) имеют каплеобразную форму (12) (рис. 10).
Рис. 10. Профиль поверхности промежуточного теплообменника (узел 2)
Над верхней полуокружностью труб (10) располагается каплеуловитель талой воды от распложенных выше труб, выполненный из двух симметричных продольных профилированных пластин (14), закрепленных на верхней половине профиля трубы (10) дистанционирующими цилиндрическими штырями (15). Каплеуловитель воспринимает ударную энергию падающих капель, обеспечивая интенсивный теплообмен в верхней зоне образующих труб (10) при растекании капель по поверхности труб.
Далее профилированные пластины (14) и внешняя поверхность полуокружности труб (10) образуют щелевые каналы (16), в которых поддерживается высокая скорость движения воды за счет кинетической энергии падающих капель, что обусловливает интенсивный теплообмен. Затем талая вода (13) в пленочном турбулентном режиме стекания омывает нижний каплеобразный профиль (11), обеспечивая дополнительный теплосъем. Третья ступень охлаждения (контактный теплообменник) выполнена в виде труб (8) большого диаметра, примерно в 2,5 раза превышающего диаметры на предыдущих ступенях охлаждения (рис. 11), установленных с малым горизонтальным зазором, в нижних образующих которых установлены гребни (9), обеспечивающие поступление талой воды в виде капель на промежуточный теплообменник. Данная конструкция обусловливает плотное прилегание тающего массива к поверхности теплообмена и равномерный отвод талой воды.
Нижние части труб контактного и промежуточного коллекторов снабжены гребнями, причем трубы контактного и промежуточного теплообменников установлены так, что их продольные оси и гребни принадлежат одной вертикальной плоскости. Данная конструкция позволяет организовать последовательное использование талой воды, образующейся на контакте льда с контактным теплообменником, в каждом из рядов труб промежуточного теплообменника (т.е. талая вода не стекает сразу в «зону работы» экономайзера, а последовательно взаимодействует с трубами каждого ряда промежуточного теплообменника). Удаление талой воды происходит посредством перелива, через патрубок (19). Следующее техническое решение установки холодоснабжения предложено с целью обеспечения требуемых параметров воздуха в помещениях больших объемов и уменьшения потерь холода в холодохранилищах СКВ в теплый период года [4]. В качестве источника холода используется массив льда. Вода замораживается в траншеях либо в естественных водоемах в зимний период. Воздух с помощью устройства охлаждается в скважинах массива льда. Схема установки представлена на рис. 12 и 13.
Рис. 11. Узел 1
'ис. 12. Промышленная установка скважинного типа для охлаждения воздуха. 1 - подающий воздуховод, 2 - нагнетающий вентилятор, 3 - обратный воздуховод, 4 - вентилятор для подачи охлажденного воздуха, 5 - обратный клапан
Рис. 13. Поперечный разрез скважины в ледяном массиве
За счет работы вентилятора нагретый воздух из помещения поступает в магистральный воздуховод (14) и через центральную часть коаксиального воздуховода попадает в дисперга-тор, находящийся на дне скважины. Воздух проходит через объем талой воды в придонной части ледовой скважины путем дробления в коническом диспергаторе, обеспечивая работу первой ступени охлаждения. Далее охлажденный воздух с последующим подъемным движе-
нием от свободной поверхности жидкости идет в межтрубное пространство коаксиального воздуховода. Выход воздуха осуществляется через радиальные отверстия в стенках внешнего воздуховода в радиальном направлении к стенкам скважины массива льда (1), обеспечивая охлаждение во второй ступени. Далее за счет работы вытяжного вентилятора охлажденный воздух из скважин поступает обратно в помещение.
Конструкция воздухоохладителя состоит из коаксиального воздуховода: внутреннего (2) и внешнего (3). Внутренний воздуховод имеет телескопическую насадку (4) с уплотни-тельной гофрой (6) и коническим диспергатором воздуха (5), установленным на выходе. Внешний воздуховод имеет перфорированный участок (12) магистрального подающего воздуховода (13). Вода скапливается на коническом фартуке, состоящем из нижнего расширительного кольца (10) и верхнего прижимного кольца (9), соединенных эластичным конусом (8). Талая вода поступает на дно скважины за счет работы водосбросника, выполненного в виде сифонов из эластичных изогнутых трубок (11), скрепленных с внутренним воздуховодом (2) эжекторной вставкой (7).
Разработанные новые конструкции холодохранилищ имеют следующие технические решения, повышающие их эффективность.
Холодогенератор с трехступенчатым теплообменником - патент на изобретение № 2413142 [3]. Конструкция холодогенератора содержит теплообменник, позволяющий повысить холодопроизводительность за счет увеличения регенерационной способности источника холода и интенсификации процессов теплообмена между талой водой снежно-ледяного массива и охлаждаемой жидкостью, разделенными поверхностями теплопередачи.
Промышленная установка скважинного типа для охлаждения воздуха - патент на изобретение № 2428639 [4]. В качестве источника холода используется массив льда, намораживаемый в траншеях либо в естественных водоемах в зимний период, что дает возможность запасать большие объемы льда и уменьшать потери холода через стенки холодохранилища в теплое время года. Устройство скважин специальной конструкции позволяет охлаждать воздух при прямом контакте с массивом льда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кобияма М. Особенности использования снега в инженерной науке - практические основы использования снега = ^M'^Ml^W- ЩЩШ&ШШШШ. Токио: Айвадо, 2003. 111 с. Яп. яз.
2. Оболенский Н.В., Денисюк А.Е. Холодильное и вентиляционное оборудование. М.: КолосС, 2006. 248 с.
3. Пат. 2413142 С1 Российская Федерация. Холодоисточник / Г.А. Захаров, А.С. Штым, Е.В. Тарасова, Е.А. Королева, К.В. Цыганкова Е.В. Клименко; Дальневост. техн. ун-т. № 2009135990/21; заявл. 28.09.2009; опубл. 27.02.2011. Бюл. № 6.
4. Пат. 2428639 С1 Российская Федерация. Холодоисточник / А.С. Штым, Ю.П. Яценко, Е.В. Тарасова, Е.А. Королева, А.С. Кузьменко, Н.С. Румянцев, И.А. Маркелова, К.В. Цыганкова; АНО ДВГТУ «Научно-технический и внедренческий центр "Модернизация котельной техники"». № 2010109952/21; заявл. 16.03.2010; опубл. 10.09.2011. Бюл. № 6.
5. Явнель Б.К. Тепло- и холодоснабжение систем кондиционирования воздуха // Холодильник: интернет-газета. 2011. № 11. URL: http://www.avisanco.ru/PRICE_LITERATURE.doc (дата обращения: 07.09.2012).
6. Cool energy 4. 4, 2 0^4^ (04.2008), 66 p. Яп. яз.
