|
Владимир ВЫЧУЖАНИН,
Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script
Тепловлажностная обработка и перемещение воздуха в системе кондиционирования воздуха (СКВ) требует значительных расходов холода, теплоты и электроэнергии. Эффективность и экономичность эксплуатации СКВ во многом зависит от режимов работы технологических аппаратов, являющихся наиболее металлоемкими элементами данных систем. В условиях переменной тепловлажностной нагрузки охлаждение и перемещение воздуха определяют основные эксплуатационные затраты СКВ.
Интенсификация теплопередачи в воздухоохладителе (ВО) (за счет увеличения коэффициентов теплоотдачи от воздуха к полной наружной поверхности αH и от внутренней поверхности трубки к хладоносителю αw), а также экономия электроэнергии, потребляемой электродвигателями вентилятора кондиционера и рассольного насоса холодильной установки СКВ (путем обеспечения экономичных скоростей набегающего потока воздуха во фронтальном сечении ВО wв и хладоносителя через него ww) могут обеспечить работу установки в оптимальном летнем режиме работы.
Задача определения оптимального летнего режима работы СКВ сводится к нахождению минимального возможного значения экономической функции.
где Σc — суммарные затраты на перемещения воздуха и хладоносителя через ВО;
Qo — полный теплосъем;
Кп — пересчетный коэффициент.
Полный теплосъем рассольного пластинчато-ребристого ВО можно определить, используя преобразованную известную формулу (2),
где
tВ1, tw1 — соответственно температура воздуха и рассола на входе ВО;
FH, fB' — соответственно полная поверхность и площадь фронтального сечения ВО;
СВ, Сw — теплоемкость воздуха и рассола соответственно;
Kf — коэффициент живого сечения ВО;
ЕH — коэффициент эффективности оребрения;
ξH — коэффициент влаговыпадения;
dH, dBH — соответственно диаметр трубки в просветах между ребрами и внутренний диаметр трубки;
zB' — число трубок;
β— коэффициент оребрения;
γВ, γw — плотность воздуха и рассола соответственно.
Суммарные эксплуатационные затраты на перемещение воздуха и хладоносителя через ВО определяются следующим образом:
где Сэ — стоимость 1 кВт электроэнергии;
Са, Стр, Ск, Спр — соответственно амортизационные отчисления, затраты на текущий ремонт, затраты на капитальный ремонт, прочие расходы;
Тэ — эксплуатационный период работы СКВ в летнем режиме;
NДВ, NДРН — мощности электродвигателей, вентилятора, рассольного насоса соответственно.
Так как Сэ и Тэ, а также Са, Стр, Ск, Спр не зависят от выбранного режима работы ВО, на суммарные затраты ΣC влияют изменения мощностей электродвигателей NДВ и NДРН в процессе их работы. Мощность электродвигателя центробежного вентилятора кондиционера с учетом скорости воздуха wВ определяется:
где νВ, р, R — соответственно удельный объем, полное давление и газовая постоянная влажного воздуха;
Т — температура воздуха;
НВ — напор вентилятора;
g — ускорение свободного падения;
wДВH, wДB — угловая скорость вращения вала электродвигателя вентилятора, номинальная и текущая соответственно;
ηДВ, ηПДВ, ηВ — КПД электродвигателя вентилятора, передачи и вентилятора соответственно.
Мощность электродвигателя центробежного рассольного насоса холодильной установки СКВ с учетом скорости рассола ww определяется:
где νw — удельный объем рассола;
НH — напор рассола;
wДPHH, wДPH — угловая скорость вращения вала электродвигателя насоса, номинальная и текущая соответственно;
ηДPH, ηПДPH, ηPH — КПД электродвигателя насоса, передачи и насоса соответственно.
Задачу интенсификации теплопередачи в ВО целесообразно решать прежде всего за счет увеличения αH [1]. Для определения оптимального режима работы ВО необходимо ввести ограничение, определяющее минимально допустимую величину αH. Обобщение имеющихся данных по пластинчато-ребристым ВО показывает, что при их эксплуатации обычно αH ≥ 40 Вт (м2К) [2].
Коэффициент теплоотдачи αH определяется в зависимости от конструктивных характеристик теплообменного аппарата, скорости и теплофизических характеристик внешней среды. В качестве параметра управления выбираем скорость воздуха wВ. Представим αH как функцию от дискретных значений скорости воздуха:
Используя полученные экспериментально зависимости αH = f(L/dэ), где L/dэ — отношение длины канала к эквивалентному диаметру живого сечения, можно построить характеристику αH = f(wВ) для значений L/dэ = 5 и L/dэ = 10 (рис. 1).
Функция многих переменных (6) имеет экстремум при выполнении условия
Максимум функции (6) имеет место при
По физическому смыслу приращение wВ не может быть равно нулю, следовательно, для нахождения экстремума необходимо выполнение условий, при которых каждая частная производная в (7) равна нулю. Для выполнения условия (7) необходимо и достаточно, чтобы
В формулах (9) и (10) i — вариант геометрии проходного сечения ВО. Формула (10) получена с помощью классического вариационного исчисления при нахождении экстремума функции многих переменных. Пример графического определения θi для любой точки функции αHi = f(wBi) приведен на рис. 1.
Располагая функциями αHi = f(wBi) для различных геометрических характеристик, нетрудно определить функцию θi = f(wBi) и найти условия, удовлетворяющие (9). Тем самым можно выбрать оптимальную скорость воздуха через ВО при заданной геометрии его проходного сечения. При этом выполняется условие (7).
Для выполнения оптимального условия (получения максимального значения αH) достаточным является выполнение (8). Т.к. (8) представляет собой зависимость в квадратичной форме, для того, чтобы оно было определенным и отрицательным, необходимо выполнение неравенств Сильвестра, удовлетворяющихся только при условии
Из проведенного расчета следует, что выполнение (9) и (11) возможно при θ< 90 для отношения L/dэ = 5 и wB < 6 м/с; для отношения L/dэ =10 и wB < 7,5 м/с. Найденные значения скоростей воздуха являются ограничительными и соответствуют максимальнымих уровням.
Для определения диапазона оптимальных значений скоростей набегающего потока воздуха во фронтальном сечении ВО (с учетом установленных ограничений по их максимальным значениям для соответствующих L/dэ), рассмотрим зависимость мощности электродвигателя вентилятора NДВ от αH (рис. 2). Для получения зависимости NДВ = f(αH) при фиксированных значениях wB был проведен расчет αH по формуле, соответствующей геометрическим характеристикам оребренной поверхности [2].
Тангенс угла между касательной, проведенной из начала координат к соответствующей кривой NДВ = f(αH) пропорционален значению экономической функции (1). При этом мощность электродвигателя рассольного насоса, а также коэффициент теплоотдачи αw постоянны, т.е. скорость рассола неизменна. В результате для рассмотренного типа поверхности ВО оптимальный режим его работы обеспечивается при wB от 5,2 до 6,0 м/с для L/dэ = 5 и wB от 5,8 до 7,0 м/с для L/dэ = 10.
Используя предлагаемый метод, был также определен оптимальный диапазон изменения скорости рассола ww через ВО, для которого по установленной зависимости NДВ = f(αw) с учетом ограничений по скорости рассола ww < 3,0 м/с рекомендуемая оптимальная скорость рассола лежит в пределах 1,1 2,2 м/с.
Для установленных рекомендуемых диапазонов изменения скоростей воздуха и рассола, в целях получения минимально возможного значения экономической функции (1), были получены характеристики (рис. 3), устанавливающие связь ϕе с wB и ww. Из полученных характеристик следует, что минимально возможная величина экономической функции при скорости воздуха wB = 3 м/с и скорости рассола ww = 2 м/с.
Найденным параметрам соответствует оптимальный режим работы ВО.
При проведении рассчетов использовались реальные характеристики ВО. Рассольный ВО с пластинчатым типом оребрения установлен в неавтономном кондиционере ICB63/25 холодопроизводительностью 100 кВт, с расходом рассола до 5,9 кг/с. В кондиционере установлен электровентилятор мощностью NДВ = 11 кВт, с частотой вращения 50 об/с. Массовый расход воздуха до 10 кг/с. Мощность насоса NДPH = 5,6 кВт.
Как следует из (4) и (5), для изменения скоростей воздуха и рассола, а значит и мощностей электродвигателей вентилятора, насоса необходимо изменить угловые скорости вращения валов этих двигателей (wДВ и wДPH). По затратам энергии количественное регулирование (регулирование wДВ и wДPH) вентилятора и насоса эффективно при регулировании частоты вращения валов двигателей с помощью преобразователя частоты [3].
Контроль и регулирование скоростей набегающего потока воздуха во фронтальном сечении ВО wВ и хладоносителя через него wВ в установленных оптимальных диапазонах позволяет снизить себестоимости воздухообработки в СКВ в летнем режиме работы на 20-40 %. Учитывая, что эксплуатационный период, например судовых СКВ, в летнем режиме работы превышает, как правило, 200 суток, годовая экономия достигает существенных величин.
Использование предлагаемой методики позволяет определять оптимальные скорости wВ и wВ для различных поверхностей. Это,в свою очередь, позволяет в процессе эксплуатации СКВ снизить эксплуатационные затраты, добиться минимальной себестоимости выработки 1000 кДж холода, а также повысить экономические показатели таких систем.
Литература
1. Козьминых Н.А., Вычужанин В.В. Интенсификация процесса теплопередачи в теплообменных аппаратах систем кондиционирования воздуха // Холодильная техника и технология. — 1985. — Вып. 40.
2. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. — СПб.: Судостроение, 1994.
3. Вычужанин В.В. Управление расходом воздуха в установке комфортного кондиционирования воздуха // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. — 2005. — №5.
|
