Perspectives of using humidification subsystems for air conditioning in transport

Full Text

Введение Требования СанПиНа и современные исследования физиологии человека заставляют по-новому учитывать параметры влажности воздуха в рабочей зоне оператора при работе на транспорте в областях с засушливым климатом и местах с повышенным пылевыделением. При работе водителя (оператора) в подобных условиях концентрация внимания может снижаться более чем на 45% и в разы увеличиваться утомляемость [1] по сравнению с аналогичной деятельностью в условиях с нормальными параметрами микроклимата. Зачастую наблюдаются нарушения водно-солевого баланса, сухость глаз, сонливость, рассеянность и возможно развитие хронических заболеваний верхних дыхательных путей и сердечно-сосудистой системы. Для того чтобы снизить риск возникновения вышеописанных последствий, необходимо больше внимания уделять вопросу увлажнения сухого воздуха внутри кабины транспортного средства водителя (рабочее место оператора). Методы увлажнения воздуха в кабанах тракторов и сельскохозяйственных машин с помощью увлажняемой насадки рассмотрены в работах [2-5]. Однако для транспортных машин они не получили распространения. Целью исследования является разработка метода проектирования подсистемы увлажнения в системе кондиционирования и вентиляции воздуха на транспорте. Для достижения данной цели необходимо проводить модернизацию системы кондиционирования воздуха на транспорте с целью внедрения подсистемы увлажнения воздуха, поступающего в кабину транспортного средства. При реализации данной подсистемы следует выбирать из всего многообразия наиболее оптимальный метод увлажнения воздуха для выполнения поставленной задачи. Классификация методов По способу насыщения подаваемого воздуха влагой методы испарения условно классифицируются [6] на: · холодное испарение (естественное испарение воды с поверхности материала при обдувании воздушными потоками); · форсуночное распыление (механическое распыление мелкодисперсной водяной взвеси); · паровое увлажнение (вода при контакте с электродами нагревается, начинает кипеть и испаряться); · барботажно-пленочное насыщение (контакт турбулентного потока воздуха с тонкой водяной пленкой и образованием паровоздушной смеси, в которой за счет турбулизации потока происходит насыщение воздуха водой); · ультразвуковое рассеивание (выброс в воздух мелкодисперсных частиц под действием высокочастотных колебаний пъезоэлемента и образование водяного аэрозоля (тумана)). Сравнение рассмотренных методов с аналогами Каждый из этих методов имеет свои недостатки: установка дополнительного оборудования для подготовки компонентов (подаваемого воздуха и расходуемой на увлажнение воды), сложности в эксплуатации, узкий диапазон режимов нормальной работы и т.д. Более подробно наличие недостатков у того или иного метода увлажнения представлены в табл. 1. Изначально с учетом условий эксплуатации (движущееся транспортное средство) наиболее подходящими выглядят варианты холодного испарения, форсуночного распыления и ультразвукового рассеивания. Был проведен патентный поиск [7] изделий-прототипов и выявлены проблемы, приведенные ниже. У патента US 20070245751A1 (ультразвуковой увлажнитель воздуха) для получения заданного уровня влажности сильно усложнена электросхема подключения, что делает возможным использование данного метода лишь на авиационном транспорте. При упрощении логики подключения и миниатюризации возникает проблема перенасыщения воздуха и образования водяного тумана. Также, поскольку увлажнение происходит за счет механического разделения жидкости на мелкодисперсный аэрозоль - вместе с ней в воздух попадают и взвешенные частицы, что приводит к образованию соляных налетов на поверхностях. У патентов US 20140077396A1 и US 19915037585A1 (форсуночные увлажнители) конструкция усложняется добавлением компрессора для создания повышенного давления на впрыск. Отдельно следует отметить, что конструкция, из-за маленького размера сопла форсунки, предъявляет очень жесткие требования к качеству воды, которую можно было бы использовать в данном агрегате (двойной дистиллят с фильтрацией обратного осмоса). Таблица 1 Преимущества и недостатки методов увлажнения воздуха На основании рассмотренных методов и найденных патентов можно сделать вывод, что самым оптимальным при проектировании системы увлажнения воздуха является применение метода холодного испарения воды. Расчетно-оценочная часть Ниже приводятся исследования влияния основных значимых параметров подсистемы увлажнения воздуха в составе комплексной системы кондиционирования с целью определения оптимальных входных параметров системы: температура подаваемого воздуха, время увлажнения, расход воды. Для численной реализации задачи в описанной постановке использовался конечно-элементный программный комплекс MathCaD. Основные проводимые критерии оценки расчетной части. Оценка расхода воды для обеспечения необходимого влагосодержания при работе системы кондиционирования в кабине была произведена по формулам, приведенным ниже. При этом массовый расход воздуха [8] . Расход воды на увлажнение [8] , где - молярная масса воздуха, кг/кмоль; - молярная масса пара, кг/кмоль; - давление увлажняемого воздуха; - парциальное давление водяного пара. Поскольку при испарении воды затрачивается тепловая энергия на изменения агрегатного состояния жидкости в газ, то тепло неизменно будет поглощаться из подаваемого на кондиционирование воздуха и необходима оценка тепловых потерь при испарении влаги в системе кондиционирования. При испарении 1 грамма воды на кг сухого воздуха происходит падение температуры последнего на 2,7°С [9]. Соответственно, при доведении влагосодержания сухого воздуха до расчетных (из расхода) 7 грамм воды на кг воздуха происходит падение температуры воздуха на ≈ 19°С. Количество теплоты, необходимое для подогрева воздуха, можно определить из выражения [9] , где - повышение температуры воздуха при подогреве, 0С; - расчетный расход воздуха, кг/ч; =1005 Дж/(кг·К) - удельная теплоемкость воздуха. Запас мощности на подогрев увлажненного воздуха . Отдельно при проектировании и расчете было учтено, что в зависимости от начальной температуры подаваемого воздуха будет изменяться скорость испарения влаги с поверхности увлажняющего устройства. Немаловажную роль в процессе испарения играет площадь поверхностного контакта сухого воздуха с капиллярной влагой. При испарении воды происходит диффузионная массопередача от жидкости к поступающему на увлажнение воздуху [10]. Согласно законам диффузии, число молей воды, испарившейся в единицу времени, можно выразить уравнением: , где - коэффициент массопередачи между мокрой поверхностью и потоком воздуха; - давление насыщенного водяного пара при заданной температуре; - парциальное давление водяного пара в воздушном потоке (для поступающего сухого воздуха принимается равным нулю); - площадь испарительной поверхности. В свою очередь зависимость между коэффициентами массо- и теплопередачи [10]: , где - коэффициент теплопередачи между потоком воздуха и мокрой поверхностью (для рассматриваемых условий ≈ 15 Дж/(кг·К); - удельная теплоемкость воздуха; - среднее парциальное давление сухого воздуха ( ≈ 100 кПа); - молярная масса воздуха; - критерий Прандтля; - критерий Шмидта. Таблица 2 Расчетные значения параметров системы увлажнения Обобщая данные расчетные рекомендации можно сделать вывод, что при проектировании подсистемы увлажнения в системе кондиционирования и вентиляции воздуха на транспорте необходимо учитывать и выбирать наиболее оптимальные параметры, при каждом случае из таких факторов, как: · расход воды на увлажнение; · дополнительные теплозатраты на подогрев поступающего воздуха; · место для размещения испарительной камеры с заданными размерами поверхности контакта сухого воздуха и влаги. За оптимальные [11] принимаются следующие параметры микроклимата рабочей зоны: температура от +19 до +240С; минимальная влажность 40%; давление водяных паров при заданной влажности 1,03 кПа. Минимальное количество подачи свежего воздуха на человека - 0,28 м3/мин. Давление воздуха в салоне принимаем равным атмосферному, влагосодержание 0 г/кг; плотность воздуха при данном давлении 1,23 кг/м3. Результаты вычислений, полученные на основании заданных характеристик, представлены в табл. 2. Заключение Таким образом, при проектировании подсистемы увлажнения в системе кондиционирования и вентиляции воздуха на транспорте необходимо учитывать и выбирать наиболее оптимальные параметры из таких факторов, как расход воды на увлажнение, дополнительные теплозатраты на подогрев поступающего воздуха и место для размещения испарительной камеры с заданными размерами поверхности контакта сухого воздуха и влаги.

About the authors

V. I Merkulov

Moscow Polytechnic University

DSc in Engineering

A. A Popov

Moscow Polytechnic University

Email: Constructor.Alex@yandex.ru

References

Supplementary files