Improvement of design of water evaporative air coolers in tractor cabins

Full Text

Введение В настоящее время возрастают требования к энергетической эффективности применяемых на объектах различного назначения установок кондиционирования воздуха (УКВ). С этой позиции современными могут быть признаны только такие УКВ, которые при выполнении ими норматива по температурно-влажностным параметрам воздуха на рабочем месте обладают меньшими энергозатратами [1]. В связи с этим для производственных помещений стационарных объектов предписываются [2], что наиболее энергоемкие УКВ с холодильными машинами следует использовать только в случаях, когда нормируемые параметры микроклимата не могут быть обеспечены устройствами прямого или косвенного водоиспарительного охлаждения. При этом выбор источника холода должен быть экономически обоснован. Для стационарных и мобильных объектов сейчас зарубежные фирмы поставляют в нашу страну широкую номенклатуру УКВ, базирующихся на хладоновой (фреоновой) холодильной машине. Вместе с тем отмечается [3], что эти УКВ предназначены для применения в принципиально отличных от наших климатических условиях, характеризующихся относительно коротким теплым периодом года, что должно учитываться при выборе режимов работы и состава функциональных частей УКВ. Поэтому отечественная фирма «Веза» [3] создала типоразмерный ряд установок, названных КЦКП (кондиционеры центральные каркасно-панельные) для очистки, вентиляции, отопления и охлождения воздуха с помощью как холодильных машин, так и с использованием прямого и косвенного водоиспарительного охлаждения. Вся система КЦКП основана на блочно-модульном построении ее модификаций и предусматривает расход обрабатываемого воздуха от 1,6 до 100 тыс. м3/ч. Однако, данная разработка не могла быть заимствована для кабин тракторов по объективным причинам, и для них была создана соответствующая система нормализации микроклимата (СНМ) в виде унифицированного типажа установок различного назначения для кабин объемом от 1,5 до 3,4 м3, также базирующаяся на блочно-модульном принципе построения конструкции модификаций с расходом обрабатываемого воздуха от 0,3 до 1,1 тыс. м3/ч. Здесь для теплого периода года предусмотрены модификации с хладоновой холодильной машиной и с использованием прямого водоиспарительного охлаждения [4, 5]. Цель исследования Целью исследования является разработка более совершенных конструкций водоиспарительных охладителей воздуха в кабинах тракторов. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов При прямом контакте воздуха с водой пределом снижения его температуры от начальной по сухому термометру является его начальная температура по мокрому термометру , а достигнутая при этом температура оценивается с помощью коэффициента эффективности адиабатного увлажнения [3-6]: . Поскольку в этом процессе воздух при снижении его температуры увлажняется при постоянной энтальпии, существует ограничение величины до значения 0,73 [4, 5] для исключения превышения нормируемого предела относительной влажности в 60% воздуха в кабине. Тогда величину можно определить из выражения: . (1) УКВ водоиспарительного охлаждения являются менее энергоемкими по сравнению с хладоновыми кондиционерами [1]. При этом их положительным качеством является способность обеспечить в кабине так называемый современный динамический микроклимат [7], существо которого заключается в поддержании в автоматическом, природообусловленном самим процессом водоиспарительного охлаждения, рациональном перепаде между изменяющейся в течение рабочей смены наружной температурой и температурой воздуха на рабочем месте [8]. Вместе с тем, необходимо и меть в виду следующее. Полная производительность по отведенной из кондиционируемого воздуха явной теплоте (холодопроизводительность) в общем случае оценивают по формуле: , (2) где - теплоемкость воздуха, ]; - плотность воздуха при температуре , ; - подача воздуха в кабину, . Величина равняется сумме из теплопритоков в кабину (т.е. ее тепловой нагрузке) и тепловых потерь , обусловленных поступлением через неплотности кабины наружу воздуха с температурой , которая ниже . Подача же воздуха из УКВ в кабину определяется из условия обеспечения в ней требуемой температуры [4, 5]: . (3)] У водоиспарительных охладителей энергозатраты на обеспечение необходимой холодопроизводительности определяются в основном мощностью вентилятора, обеспечивающего требуемую величину , поскольку затраты здесь на привод водяного насоса относительно невелики [1]. Тогда из формулы (3) вытекает, что при постоянных и с целью снижения необходимо уменьшить величину . Однако ранее было показано, что при прямом водоиспарительном охлаждении не может быть снижено путем увеличения . Следовательно, у такой УКВ резервы по снижению энергозатрат, по существу, отсутствуют, и здесь необходимо использовать другие способы водоиспарительного охлаждения воздуха. К ним, в первую очередь, относится косвенно-прямое, обоснованное О.Я. Кокориным и получившее развитие в стационарных объектах [9]. Затем УКВ такого типа, как и регенеративные установки косвенно-испарительного действия, были идентифицированы как перспективные для кабин тракторов [10]. В косвенно-прямом воздухоохладителе (КПВ) имеются две ступени обработки воздуха. В первой воздух охлаждается сухой поверхностью, которая с противоположной стороны контактирует с водой, охлаждаемой за счет испарения. Здесь охлаждение потока кондиционируемого воздуха происходит при постоянном влагосодержании, в результате чего снижается его температура как по сухому , так и по мокрому термометру от до , т.е. понижается предел его испарительного охлаждения. Далее этот поток воздуха поступает во вторую ступень адиабатного увлажнения, где дополнительно снижает свою температуру, стремясь к , что в итоге принципиально может обеспечить температуру кондиционируемого воздуха ниже . Это направление может быть реализовано двумя путями. Первый путь - это применение совмещенного теплообменника косвенного испарительного охлаждения, в котором имеются два потока воздуха: основной кондиционируемый, охлаждаемый через разделительную водонепроницаемую стенку без изменения влагосодержания, и второй вспомогательный, где на стенке теплообменника осуществляется испарение воды, обусловливающее снижение температуры обоих потоков, причем вспомогательный, увлажняясь, повышает и свою энтальпию, поскольку через стенку теплообменника отбирает теплоту от основного потока [11]. Второй путь, как и в разработке фирмы «Веза», предусматривает применение раздельной схемы, где в качестве первой ступени блока обработки кондиционируемого воздуха используется водо-воздушный теплообменник, куда подается охлажденная за счет испарения в отдельном агрегате-градирне вода, контактирующая с вспомогательным потоком воздуха этой градирни. В регенеративно-косвенном воздухоохладителе (РКВ) весь поток воздуха за счет утилизации тепловой энергии вспомогательного потока обусловливает снижение температуры основного кондиционируемого потока в пределе до точки росы наружного воздуха при постоянном влагосодержании. Этот процесс осуществляется в специальном теплообменнике, выполненном по совмещенной схеме, конструкция которого приведена в работе [8] и здесь не рассматривается. Приоритет в разработке теоретических основ и реализации конструкции такого совмещенного РКВ с увлажняемыми пластинами из пористой пластмассы принадлежит А.Б. Цимерману [12]. Затем это направление нашло отражение при реализации в конструкции пористых металлических пластин [13], в результате чего была создана установка, получившая шифр T02. При сравнении созданных опытных образцов указанных КПВ, РКВ и Т02 с позиции их реализации на кабинах тракторов должны ограничиваться их массогабаритные характеристики с учетом возможности размещения на крыше и с точки зрения сохранения нормируемой поперечной устойчивости машины от опрокидывания, поскольку при таком размещении блока УКВ центр масс ее поднимается. С этих позиций по данным [4, 5] размер блока по ширине не должен быть более 900 мм для одноместной кабины и не более 1000 мм для двухместной; по ее длине не более, соответственно, 450 и 600 мм; высота блока не белее 300 мм, а масса блока не более 25 кг для тракторов класса 0,6 и 0,9 кН и не более 50 кг для тракторов класса 1,4. В табл. 1 приведены сравнительные данные опытных УКВ. Таблица 1 Характеристики опытных усовершенствованных водоиспарительных УКВ Модель УКВ Подача воздуха в основном потоке, , м3/ч Общий расход воздуха, , м3/ч Холодо-произво-дительность, , кВт Ширина воздушных каналов, мм Возможность «мокрой» очистки воздуха Габаритные размеры, мм Масса, кг КПВ 350 620 2,47 1,4…1,5 нет 895×792×230 45 РKB 400 800 2,72 1,8…2,5 нет 850×650×200 60 Т02 350 700 2,38 1,0 нет 700×400×220 - Во всех указанных опытных УКВ увлажнение поверхности испарения в теплообменниках происходит за счет фитильного всасывания воды пористым материалом, нижние концы которого погружены в поддон. Этим и объясняется, что в них осуществить «мокрую» очистку воздуха невозможно [4, 5]. По результатам исследования [10] установлено, что при , и модель КПВ обеспечивает температуру охлажденного воздуха после второй ступени при незначительном увеличении его влагосодержания по сравнению с начальным. Температура охлажденного воздуха в установках РКВ и Т02 определяются из выражения: . (4) В указанных установках достигнута величина в зависимости от [12, 13]. Тогда, приняв при заданных выше исходных условиях, получим . Отсюда можно заключить, что КПВ, РКВ и Т02 способны обеспечить температуру охлажденного воздуха ниже его начальной температуры по мокрому термометру, и здесь открывается возможность снижения и уменьшения энергозатрат на выработку холода. Однако, эти прогрессивные (по направлению развития) опытные УКВ относительно громоздки, имеют значительную массу, не способны очистить воздух от мелкодисперсной пыли и газообразных примесей, а их выполнение в виде эксклюзивного крышного моноблока не отвечает современным методам проектирования техники. Вместе с тем, создание СНМ [4, 5, 14-16] открывает возможность в решении задачи по созданию инновационных водоиспарительных охладителей воздуха, реализующих рассмотренные выше методы его обработки. Этому способствует то, что построение различных модификаций СНМ основано на принципе присоединения друг к другу в необходимом сочетании имеющихся здесь конструктивно отработанных унифицированных модулей (контактный воздушный фильтр, вентиляторный агрегат, несущая камера выравнивания давления, водо-воздушный теплообменник, хладоновый теплообменник-испаритель, орошаемая потоком воды насадка, обладающая способностью очищать воздух от мелкодисперсной пыли и газообразных примесей). Возможность создания иных, не предусмотренных ранее в CНМ модификаций УКВ, была продемонстрирована в работах [4, 5, 14-16] на примере разработки инновационной конструкции хладонового кондиционера. Далее показано, как можно расширить номенклатуру модификаций CНМ в части создания на ее основе установок типа КПВ и РКВ (Т02). Как отмечалось ранее, метод косвенно-прямого водоиспарительного охлаждения может быть реализован в установке, выполненной по раздельной схеме. В нашем случае в инновационном косвенно-прямом воздухоохладителе (ИКПВ) следует применять два агрегата. В качестве первого (основного) агрегата можно использовать имеющийся в СНМ блок, содержащий последовательно установленные водо-воздушный теплообменник и орошаемую насадку. При этом в указанный теплообменник подается вода, предварительно охлажденная во втором (вспомогательном) агрегате-градирне, в качестве которой можно использовать имеющийся в СНМ блок, содержащий только орошаемую насадку (рис. 1). Рис. 1. Принципиальная схема ИКПВ: 1 и 11 - вентиляторный агрегат; 2 и 10 - несущая камера выравнивания давления; 3 и 9 - орошаемая насадка; 4 - регулятор-разделитель потока воды; 5 - водо-воздушный теплообменник; 6 и 8 - контактный воздушный фильтр; 7 - соединительный трубопровод; 12 - сливной трубопровод блока градирни; 13 - водяной бак; 14 - водяной насос; 15 - нагнетательный трубопровод; 16 - сливной трубопровод блока кондиционирования воздуха; 17 - воздухораспределитель Устройство функционирует следующим образом. Наружный воздух через фильтры 6 и 8 с помощью вентиляторных агрегатов 1 и 11 подается на обработку в соответствующие блоки. С помощью водяного насоса 14 осуществляется циркуляция воды из бака 13 через орошаемые насадки 3, 9 и водо-воздушный теплообменник 5. При этом в блоке кондиционирования с помощью регулятора 4 поток воды разделяется на две части, причем меньшая по расходу поступает в насадку 3, а большая - в теплообменник 5. Здесь наружный воздух, проходя через этот теплообменник, снижает свою температуру без изменения влагосодержания, отдавая теплоту циркулирующей через него воде, которая затем в отепленном состоянии направляется по трубопроводу 7 в орошаемую насадку 9 градирни. Проходя через эту насадку наружный воздух осуществляет в ней испарительное охлаждение воды до его начальной температуры по мокрому термометру . Сам же вождух после насадки имеет температуру выше , а за счет восприятия энергии отепленной воды в процессе обработки в насадке увеличивает свою энтальпию [9]. В основном блоке в теплообменнике 5 воздух снижает свою температуру как по сухому термометру , так и по мокрому термометру , которая меньше , а после него воздух попадает в насадку 3, где при адиабатном увлажнении в этой второй ступени снижает свою температуру до состояния, указанного на диаграмме I - d (точки 1 и 2 на рис. 2). Оценим функциональные возможности этого ИКПВ на примере кабины пахотного трактора объемом 3,4 , эксплуатирующегося в Южном регионе России при наружной температуре ( , ) при ее тепловой нагрузке в этих условиях [14]. Рис. 2. Процессы изменения состояния воздуха при тепловлажноcтной обработке: Н-1, Н-3 - снижение температуры воздуха при постоянном влагосодержании; Н-А, 1-2, 3-4 - снижение температуры воздуха при постоянной энтальпии; А-КА, 2-КК, 4-КР - повышение температуры воздуха за счет ассимиляции теплопритоков в кабину Достигнутая глубина снижения температуры воздуха в водо-воздушном теплообменнике может быть оценена коэффициентом эффективности и при указанных здесь и для точки 1 на рис. 2 находим: . По диаграмме (рис. 2) найдем, что у воздуха в точке 1 температура по мокрому термометру . Тогда при находим: . В соответствии с ГОСТ Р 50993 перепад между наружной температурой и температурой на рабочем месте оператора машины не должен быть более для исключения его простудного заболевания при относительной влажности воздуха здесь . Следовательно, в нашем случае можно принять расчетную . Тогда, располагая данными по , , и имея в виду, что и (при ) находим по формуле (3) величину (440 ). Такая подача воздуха может быть реализована при использовании в нашем случае блока СНМ-2-4 в версии с двумя вентиляторами при номинальной производительности не менее 420 [4, 5], который имеет габаритные размеры 590×385×180 мм и массу 11,4 кг. Что же касается необходимой производительности по воздуху градирни, то в нашем случае по данным [8] она может быть меньше производительности основного блока в 1,3 раза, т.е. 340 . Тогда можно использовать в качестве градирни блок СНМ-3-4 в версии с двумя вентиляторами (подача воздуха 360 , габаритные размеры 395×385×180 мм, масса 7,6 кг). Таким образом, суммарный расход воздуха в ИКПВ составит не более , а суммарная масса 19 кг при энергозатратах [4, 5, 15]. Относительно же возможности, реализации РКВ на базе модификаций СНМ следует отметить, что существует способ охлаждения воды до температуры точки росы наружного воздуха за счет утилизации в градирне тепловой энергии выбросного потока воздуха при его контакте через стенки теплообменника с циркулирующей здесь водой (авт. свид. СССР № 93829, 1951 г.), реализованный как у нас в стране, так и за рубежом в различных установках для ее приготовления. В нашем случае этот способ может быть использован для приготовления воды с низкой температурой, которая затем должна быть направлена в качестве холодильного агента в водо-воздушный теплообменник блока для кондиционирования воздуха, как это показано на рис. 3. Рис. 3. Принципиальная схема ИРКВ: 1 и 12 - вентиляторный агрегат; 2 и 11 - несущая камера выравнивания давления; 3 и 10 - орошаемая насадка; 4 - регулятор-разделитель потока воды; 5 и 8 - водо-воздушный теплообменник; 6 и 7 - контактный воздушный фильтр; 9 - соединительный трубопровод; 13 - сливной трубопровод блока градирни; 14 - водяной бак; 15 - нагнетательный трубопровод градирни; 16 и 17 - водяной насос; 18 - нагнетательный трубопровод основного блока; 19 - сливной трубопровод насадки основного блока; 20 - сливной трубопровод теплообменника основного блока; 21 - воздухораспределитель Устройство функционирует следующим образом. Наружный воздух через фильтр 7 с помощью вентиляторного агрегата 12 подается на обработку в водо-воздушный теплообменник 8, куда насосом 16 из бака 14 закачивается вода, которая затем по соединительному трубопроводу 9 поступает в орошаемую насадку 10, а из нее по сливному трубопроводу 13 возвращается обратно в бак 14. При такой циркуляции воды происходит определенная ее обработка в соответствии с указанным выше способом по авт. свид. №93829. Вода в насадке 10 охлаждается сначала в пределе до начальной температуры-воздуха по мокрому термометру . Затем несколько охлажденная вода поступает в теплообменник 8, проходя через который, наружный воздух снижает свою температуру как по сухому, так и по мокрому термометру. Таким образом, в процессе циркуляции воды ее предел испарительного охлаждения постепенно снижается от до . Холодная вода из бака 14 насосом 17 подается по трубопроводу 18 к регулятору 4, разделяющему ее на два потока. Меньшая по расходу ее часть поступает в насадку 3, а большая - в теплообменник 5, откуда отработавшая вода по соответствующим трубопроводам 19 и 29 возвращается обратно в бак 14. Эта отепленная вода смешивается с имеющейся в баке холодной водой, повышая ее температуру. В таком состоянии эта вода, как указывалось ранее, насосом 16 подается в градирню на охлаждение. Из-за внесения отобранной у обрабатываемого воздуха теплоты в блоке кондиционирования вода в баке, естественно, не достигнет при функционировании обоих блоков. Также и температура воздуха на выходе из теплообменника 5 (с учетом его КПД) будет выше . В целом степень снижения температуры кондиционируемого воздуха в этом теплообменнике (как и в традиционном РКВ) может быть оценена с помощью коэффициента эффективности по формуле (4). В нашем случае его величина может быть принята равной . Тогда для определения значения температуры охлажденного здесь воздуха имеем (точка З на рис. 2): . В отличие от традиционного РКВ в предлагаемом ИРКВ в блоке кондиционирования воздуха после теплообменника 5 размещена орошаемая насадка 3, на которую, помимо дополнительного снижения температуры, возлагается еще функция его очистки от мелкодисперсной пыли и газообразных примесей. Величина дополнительного снижения температуры воздуха в насадке 3 обусловлена, как и у КПВ тем, что при охлаждении в теплообменнике 5 при постоянном влагосодержании до температуры его температура по мокрому термометру уменьшается до (рис. 2). Используя данные по величинам и , по формуле (1) определим (точка 4 на рис. 2). Располагая данными по , , и имея в виду, что при плотность воздуха составляет , с использованием формулы (3) нашли величину (330 ). Такая подача воздуха может быть обеспечена при использовании блока СНМ-3-4 в версии с двумя вентиляторами при номинальной производительности 360 (габаритные размеры 395×385×180, масса 7,6 кг). Производительность же по воздуху градирни принимается из условия 1:1 по отношению к производительности основного блока, т.е. эти блоки могут быть одинаковыми. Таким образом, максимальный суммарный расход водуха в ИРКВ составит , а суммарная масса 15,2 кг при энергозатратах 0,44 кВт [4, 5]. Для сравнения отметим, что по данным [13] в указанных выше исследуемых условиях энергозатраты традиционного хладонового кондиционера при обеспечении в кабине составили при подаче воздуха в кабину . Результаты проведенных выше расчетов представлены в табл. 2. Выводы При сравнении показателей установок ИКПВ и ИРКВ с опытными КПО и РКВ (Т02), а также с хладоновым кондиционером установлено: · предложенные усовершенствованные установки по холодопроизводительности практически не уступают опытным, имея существенно меньшую массу при приемлемых габаритных размерах крышного блока и обладают возможностью дополнительной «мокрой» очистки его от мелкодисперсной пыли и газообразных примесей; · базирование конструкции предложенных охладителей на отработанных в СНМ агрегатах дает возможность создавать при необходимости модификации ИКПВ и ИРКВ различной производительности; · в климатических условиях России, не требующих осушения кондиционируемого воздуха, предложенные охладители сопоставимы по условию обеспечения в кабинах тракторов нормируемых параметров микроклимата с хладоновыми УКВ и существенно превосходят их по показателю энергосбережения. Таблица 2 Функциональные характеристики УКВ кабин Тип УКВ Подача воздухе в кабину , Холодо-произво-дительность , кВт Энергозатраты, , кВт Холодильный коэффициент Расчетные параметры воздуха в кабине Нормируемая относительная влажность, ,% Темпе- paтуpa, Относи-тельная влажность Хладо-новая 430 2,72 3,03 0,90 29,3 34 30…60 ИКПВ 420 2,56 0,42 6,10 29,3 42 30…60 ИРКВ 360 2,58 0,44 5,86 29,3 39 30…60

About the authors

V. A Mikhaylov

Moscow Polytechnic University

Dr.Eng.

N. N Sharipova

Moscow Polytechnic University

Ph.D.

M. I Dmitriev

Moscow Polytechnic University

Email: avt@mami.ru
Ph.D.

References

Supplementary files