Владимир ВЫЧУЖАНИН,

Комплексом система комфортного кондиционирования воздуха — холодильная установка (СККВ-ХУ), состоящим из десятков центральных кондиционеров, потребляется до 15%электроэнергии, вырабатываемой электростанцией пассажирского судна. Одним из путей снижения энергетических затрат является оптимизация режимов работы судовой СККВ, в результате чего изменяется последовательность обработки воздуха в центральном кондиционере в зависимости от значений параметров наружного воздуха и воздуха в обслуживаемых системой помещениях[1]. При оптимальных режимах работы судовой СККВ дальнейшее снижение энергозатрат может быть достигнуто рассмотрением СККВ совместно с системой тепло и холодоснабжения. Результатом такого подхода должно быть использование в комплексе СККВ-ХУ энергетического потенциала греющего теплоносителя и оптимизация режимов работы ХУ. Для этого необходимо определить наиболее эффективные режимы функционирования комплекса, а также синтезировать на этой основе систему автоматического управления (САУ) процессами кондиционирования воздуха.

Комплекс СККВ-ХУ представляет собой техническую систему, для исследования которой применим подход, опирающийся на использование термодинамических потенциалов при анализе процессов превращения энергии в системе [2]. Использование определяемой эксергии на основе построенной термодинамической методики позволяет решать различные технические задачи.

В настоящее время эксергетический метод широко используется для определения термодинамического совершенства процессов, протекающих в различных энергетических установках, в меньшей степени — в автоматизированных системах и аппаратах кондиционирования воздуха. Применение эксергетического анализа позволяет выбрать энергетически эффективную систему организации работы автоматизированного комплекса СККВ-ХУ путем технико- итермодинамического сравнения различных вариантов с последующей оптимизацией режима работы, при которой последовательность обработки воздуха в центральном кондиционере изменяется в зависимости от значений параметров наружного воздуха и воздуха в помещении. Цель эксергетического анализа —оценка эффективности агрегатов (тепломассообменных аппаратов, компрессора, насосов, вентилятора, сети воздуховодов) и комплекса СККВХУ в целом на основе определения эксергетического к.п.д. На основе известных параметров проведен термодинамический анализ реального центрального неавтономного кондиционера типа КВ63/25 (ООО «Завод Экватор» г. Николаев) с одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машиной. Центральный агрегат предназначен для кондиционирования воздуха при температуре воздуха на входе от 10 °С (режим нагрева) и от 20до 45 °С (режим охлаждения); количестве наружного (Gw) от 2,5 до 10 кг/с; объёмном расходе воздуха (V) от 0,7 до1,75 м3/с; полном избыточном давлении(p) от 1619 до 2452 Па; теплопроизводительности (Qт) с учётом увлажнения от 69,4 до 175 кВт, без учёта увлажнения от 56 до 140 кВт; холодопроизводительности (Q0) от 52 до 131 кВт; расходе хладоносителя от 4,4 до 8,05 кг/с.Воздух после обработки в кондиционере поступает по двум каналам в каютные воздухораспределители, установленные в обслуживаемых СККВ помещениях.

При термодинамической оптимизации комплекса использовался структурный подход на основе предварительного эксергетического анализа, позволяющего выявить наиболее важные связи в агрегатах. При термодинамическом анализе использовался статический уровень решения задачи, при котором система рассматривалась на каждом этапе как находящаяся в стационарном состоянии и все её параметры (расходы рабочих тел, температур и т.д.) постоянны. Эксергетический анализ комплекса проведен аналитическими методами по размерным и безразмерным показателям.

В соответствии с рекомендациями[2] и с целью упрощения получаемых выражений при построении эксергетической модели сделаны допущения:

1. Потери давления в трубопроводах при транспортировке рабочего тела, других сред не оптимизируются и принимаются постоянными.

2. Теплообмен рабочего тела с окружающей средой, происходящей в компрессоре и теплообменных аппаратах, не учитывается.

3. Перегрев всасываемого в компрессор пара и охлаждение жидкого рабочего тела, поступающего к регулирующему вентилю, не оптимизируются. Первый определяется правилом безопасной эксплуатации, а второе осуществляется в конденсаторе и обуславливается типом выбранного аппарата.

При использовании эксергетического метода анализа находящегося в эксплуатации судового комплекса СККВ-ХУ учитывалось, что при проектировании комплекса основные его параметры выбираются для экстремальных условий эксплуатации. К таким параметрам обычно относятся [3] скорости воздуха в магистральных трубопроводах и в кондиционере, для ХУ массовая скорость фреона, степень подогрева рассола, скорость рассола, температурный перепад между температурой воздуха на выходе из воздухоохладителя и рассола на его входе.

Для рассматриваемой СККВХУ (рис. 1) варианты возможной совместимости работы аппаратов кондиционера приведены в табл. 1.

Исходя из возможных вариантов табл. 1 и [1] в зависимости от значений параметров наружного воздуха и воздуха в обслуживаемой системой помещениях возможны следующие технологические режимы совместной работы оборудования. В «зимний» период работы комплекса (рис. 2): I режим — ВН1, В, У, ВН2; II режим — ВН1, В, У;III режим — В, У, ВН2; IV режим — В, У;V режим — тепловлажностная обработка воздуха не производится; VI режим —ВН1, В; VII режим — В, ВН2; в переходной период работы комплекса VIII режим — В; в «летний» период работы комплекса (рис. 3): IX — а режим —ВН1, В, ВО или IX — б режим — В, ВО. На рис. 2 и 3 в диаграмме h-d представлены области параметров приточного Пр и уходящего У из помещения воздуха.

Для наиболее энергоемкого «летнего» периода работы комплекса безразмерный показатель эксергетического анализа эксергeтической КПД определяется по формуле:

(1)

где — потребляемый поток эксергии в комплексе в «летний» период (поток эксергии на выходе из кондиционера);

— максимальный подводимый в комплекс поток эксергии в «летний» период.

(2)

где ср — удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении для интервала температур 50 °С < t < 50 °С;

R — газовая постоянная, Дж/(кг К);

Tу , Тпр , Тс — температура воздуха, соответственно, в помещении, проточного, смеси наружного и рециркуляционного воздуха, °К;

dу , dпр — влагосодержание воздуха, соответственно, в помещении, приточного, кг/кг;

eу , eпр — удельная эксергия воздуха, соответственно, в помещении, приточного, кДж/кг.

Удельная эксергия воздуха в помещении eу с учетом [2] определяется по формуле:

(3)

где pу , pо.с — парциальное давление воздуха в помещении, окружающей среде;

То.с и dо.с — температура и влагосодержание воздуха окружающей среды;

индексы: «п» — водяной пар, «с» —сухой воздух.

Удельная эксергия приточного воздуха зе. пр определяется по (3), заменой параметров с индексами «у»на «п».

Максимальный подводимый в комплекс поток эксергии в «летний» период определяется по формуле:

Потоки эксергии ЕВ , ЕВО , Ец.р.н , Еи ,Ек.э , Ен.з.в , ЕВН1 определяются из функциональных зависимостей:

,

где ЕВ , ЕВО , Ец.р.н , Еи , Ек.э , Ен.з.в ,ЕВН1 — потоки подводимой эксергии;

Gw , Ga , Gp , Gз.в — расход, соответственно, воздуха, хладагента, рассола, забортной воды;

Hв , Hц.р.н. , Нн.з.в — соответствующие напоры;

ДTв , ДTa , ДTp , ДTз.в — изменение температуры, соответственно, воздуха в вентиляторе, хладагента в испарителе, рассола в конденсаторе, воды в насосе забортной воды;

Ии , Ик — температурный напор, соответственно, в испарителе и конденсаторе;

Qц.р.н , Qн.з.в , Qкм — производительности насосов, компрессора; щв , щц.р.н , щн.з.в , щк — угловые скорости двигателей вентилятора, насосов, компрессора.

Для переходного периода (VIII) эксергетический КПД:

(5)

Потребляемый поток эксергии определяется аналогично (2).Подводимый поток эксергии ,которым обладает поток воздуха, с учетом теплоты вносимой вентилятором и свойств его электродвигателя определяется аналогично ЕВ в (4).

Для «зимнего» периода работы комплекса СККВХУ безразмерный показатель эксергетический КПД:

(6)

где — потребляемый поток эксергии комплексом в «зимний» период определяется аналогично (2).

— максимальный подводимый в комплекс поток энергии в «зимний» период:

Потоки эксергии ЕВН1 , ЕВ , Еу , ЕВН2определяются из функциональных зависимостей:

где ЕВН1 , ЕВ , Еу , ЕВН2 — потоки подводимой эксергии;

GВН1 , GВН2 , Gу , — расходы пара через тепломассообменные аппараты;

Тп11 , Тп21 — температура пара на входе ВН1, ВН2;Тп12 , Тп22 — температура пара на выходе ВН1, ВН2.

Во всех формулах часть параметров известна, параметры воздуха на входе и выходе из кондиционера, на выходе из кондиционируемых помещений измерены на работающем объекте, остальные получены расчетным путем.

На ЭВМ исследовали режимы работы комплекса в широком диапазоне изменений параметров воздуха на входе в кондиционер и тепловлажностных нагрузках в судовых помещениях. Границы полученных режимов в h-d диаграмме совпадают в пределах расчетной точности с границами режимов [1], однако обеспечивается более экономичная работа комплекса.

В «летнем» IX режиме работы комплекса затраты на кондиционирование при прочих равных условиях существенно зависят от температуры кипения хладагента Т0 в испарителе. При оптимальном значении Т0 , определяемом условием зе.л = max, энергетические затраты на ХУ минимальны. На рис. 4 приведены графики зависимостей зе.л от Т0 и Тк при следующих условиях работы комплекса Тс = 297 К, Тпр = 281 К,Ту =293 К; dс = 0.008 кг/кг, dпр = 0.0051 кг/кг, dу = 0.0058 кг/кг;Тк = 303 К; Gа = 5.5 кг/с при использовании в ХУ хладагента R22. В случае работы комплекса в IX режиме, то есть одновременная работа воздухоохладителя и воздухонагревателя 1й ступени, характер изменения зе. л соответствует приведенному на рис. 5. Суммарные энергетические затраты на ХУ и ВН1 минимальны. Снижение температуры кипения хладагента приводит к перерасходу эксергии на охлаждение и осушение воздуха, а повышение ее — к перерасходу на его нагрев.

Полученные значения эксергетического к.п.д. для различных режимов работы комплекса, характеристики связей между отдельными его частями, учет взаимодействия с окружающей средой, термодинамическая оптимизация комплекса и его элементов послужили основой для дальнейшей работы по усовершенствованию системы, разработки эффективной многопроцессорной САУ (рис. 6).

Создание такой САУ обусловлено наличием десятков контролируемых и регулируемых параметров; необходимостью вычислений энергосберегающих режимов и обеспечение работы оборудования в них; потребностью в автоматическом регулировании с высокой точностью параметров воздуха в кондиционируемых помещениях; необходимостью управления преобразователями частоты электроприводов компрессора, насосов, вентилятора; требованиями защиты оборудования от аварийных ситуаций. В табл. 2 для всех режимов работы управляемого комплекса показаны положения его регулирующих клапанов, необходимое изменение частоты вращения двигателей компрессора, насосов, вентилятора.

Предлагаемая структура САУ отличается: доступностью элементной базы и комплектующих; невысокой технологической сложностью изделия; соответствием стандартам по электрическим параметрам, коммуникационным протоколам и их инструментальным средствам; соответствием средствам конфигурирования и прикладного программирования систем конечным пользователем.

При работе комплекса СККВХУ в энергосберегающих режимах с управлением посредством рекомендуемой САУ возможно снижение до 60 % годовых энергозатрат с обеспечением комфортных условий воздушной среды в обслуживаемых помещениях.

Литература

1. Кринейкий И.И., Вычужанин В.В. Оптимальные режимы работы автоматизированного судового кондиционера // Судостроение. — 1986. — №3. — C. 15—18.

2. Эксергетические расчеты технических систем: Справ. пособие // В.М. Бродянский, Г.П. Верхивер, Я.Я. Карчев и др. — Киев: Наук. думка, 1991. — 361 с.

3. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. — СПб: Судостроение,1994. — 504 с.