Моделирование температурно-влажностных параметров воздуха в помещении с использованием водоиспарительного охлаждения
На правах рукописи
Чесноков Александр Сергеевич МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОДОИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Специальность 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук
Воронеж – 2011 1
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Шацкий Владимир Павлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Агапов Юрий Николаевич кандидат технических наук, доцент Толстов Сергей Анатольевич
Ведущая организация: Воронежская государственная лесотехническая академия
Защита диссертации состоится 22 декабря 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образо вания «Воронежский государственный архитектурно-строительный универси тет» по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, аудитория 3220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского ГАСУ.
Автореферат разослан 21 ноября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Страцева Н.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Производственная деятельность людей в закрытых помещениях и в различных ограниченных объемах осуществляется при опреде ленном комплексе физических параметров внешней среды. Для ряда произ водств и технологических процессов существуют довольно жесткие требования к соблюдению параметров микроклимата. Невыполнение этих требований мо жет привести к снижению качества выпускаемой продукции, появлению неис правностей в используемом оборудовании. Все более возрастает и роль челове ческого фактора, многие виды труда становятся механизированными и автома тизированными, появляются профессии операторского труда, для которого ха рактерны значительное возрастание нервно-эмоционального напряжения и по вышение ответственности за выпускаемую продукцию, за конечный результат работы мощных комплексов современного технологического оборудования. В этих условиях успешная деятельность работников во многом зависит от усло вий труда, в том числе от микроклиматических условий на рабочем месте. Тем пературно-влажностные режимы являются наиболее важными физическими параметрами микроклимата рабочей зоны и оказывают значительное влияние на терморегуляцию организма, а в конечном итоге на умственную и физиче скую работоспособность и производительность труда. Поэтому моделирование этих параметров является достаточно актуальной задачей.
Цель работы - моделирование температурно-влажностных параметров воздуха в помещении с использованием водоиспарительного охлаждения.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи ис следования:
обоснование целесообразности включения в систему вентиляции водо испарительного охладителя воздуха с целью нормализации температурно влажностных параметров помещения;
математическое моделирование процессов тепломассопереноса в испа рительных теплообменниках;
экспериментальная оценка процесса охлаждения воздуха и подтвер ждение адекватности разработанной модели;
определение холодопроизводительности и глубины охлаждения водо испарительных охладителей в зависимости от конструктивных решений и внешних условий среды;
оптимизация геометрических параметров с помощью совместного мо делирования аэродинамических сопротивлений и процессов тепломассоперено са охладительного блока.
Методы исследования. В качестве инструментов исследования исполь зовались следующие научные методы: системный анализ, синтез, обобщение, логические методы;
методы математического анализа, математической стати стики и математической физики.
Научная новизна работы состоит в следующем:
– построена математическая модель работы водоиспарительного охлади теля, основанная на системе обыкновенных дифференциальных уравнений теп ломассопереноса, отличающаяся осреднением физических параметров по сече нию канала и позволяющая получить аналитические формулы для определения температуры и относительной влажности в испарительном теплообменнике;
– определены коэффициенты теплоотдачи для процесса тепломассопере носа в испарительных охладителях с учетом начального участка;
– построены балансовые уравнения энергии, учитывающие испаритель ные свойства материала пластин теплообменника;
– построена совместная модель, включающая расходно-напорные харак теристики вентилятора, аэродинамические сопротивления и модель тепломас сопереноса в испарительных каналах, позволяющая определить режимы работы охладителя;
– разработан алгоритм оптимизации геометрических параметров испари тельных насадок, основанный на совместном решении уравнений тепломассо переноса и аэродинамических сопротивлений, позволяющий получить макси мальную холодопроизводительность.
Достоверность результатов подтверждается использованием основных физических законов теории тепломассообмена и аэродинамики. Основные до пущения, принятые при выводе исходных уравнений модели, используются в работах других авторов. Адекватность модели оценивалась путем сопоставле ния расчетных данных с результатами экспериментальных исследований.
Практическое значение работы. Результаты работы могут быть приме нены в виде методики при конструировании водоиспарительных охладителей.
Материалы исследований используются в учебном процессе ВГАУ (г. Воро неж), о чем имеется соответствующий акт.
На защиту выносятся следующие основные результаты диссертации:
обоснование применения водоиспарительных охладителей воздуха в производственных и бытовых помещениях;
анализ температурно-влажностного баланса помещений с учетом включения в систему вентиляции охладителя воздуха с целью определения ре жимов работы охладителей;
экспериментально подтвержденная аналитически реализованная мате матическая модель процессов тепломассопереноса в испарительных теплооб менниках;
определение режимов работы водоиспарительных охладителей в зави симости от их конструкции и внешних условий среды;
обоснование определения рациональных геометрических параметров и режимов работы водоиспарительных охладителей на основе совместного реше ния уравнений тепломассопереноса и аэродинамических сопротивлений.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доклады вались и обсуждались на научных конференциях и семинарах ВГАУ (г. Воро неж, 2008-2011 гг.), на международной научно-практической конференции:
«Образование, наука, производство и управление» (г. Старый Оскол, СТИ МИ СиС, 2008 г.), на Воронежской весенней математической школе «Понтрягин ские чтения-XXI» (г. Воронеж, 2010 г.) и на II Международной молодежной на учной конференции «Молодежь и XXI век» (г. Курск, 2010 г.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 8 научных ра бот общим объемом 39 страниц. Лично автору принадлежит 17 страниц. Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК («Научный вестник Воронеж. гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура»;
«Из вестия вузов. Строительство»).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, четырех глав, основных выводов, списка литературы и трех приложений.
Общий объем диссертации составляет 133 страниц, она изложена на 120 стра ницах машинописного текста и включает 37 рисунков, 11 таблиц, список лите ратуры из 114 источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируется цель исследования, определяется научная новизна и практическая значимость результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлено современное состояние проблемы норма лизации микроклимата в стационарных объектах. Приведены требования к па раметрам микроклимата в жилых и производственных помещениях.
Вопросам вентиляции и кондиционирования производственных и жилых помещений посвящены работы В.А. Бахарева, Н.З. Битколова, М.Ф. Бромлея, В.И. Буянова, Д. Крума, М. Левыкина, В.Н. Талиева, В.Н. Трояновского и др. В настоящее время с развитием вычислительной техники все большее развитие и применение получают методы математического моделирования процессов вен тиляции и кондиционирования (работы М.И. Гримитлина, С.Н.Кузнецова, Г.М.
Позина, В.П. Шацкого и др.).
Рассмотрены различные пути и средства улучшения температурно влажностных параметров воздуха. Выявляются преимущества и недостатки раз личных принципов кондиционирования помещений. Из общего ряда охлади тельных установок выделяются воздухоохладители водоиспарительного типа как обладающие рядом достоинств и существенных преимуществ: они просты по конструкции и в эксплуатации, дешевы, экологически безвредны, имеют низкую потребляемую мощность и характеризуются высоким коэффициентом использо вания энергии. По сравнению с форсуночными охладителями водоиспаритель ные теплообменники обладают меньшими габаритами, значительно большей ис парительной поверхностью, контактирующей с воздухом, а также отсутствием возможности выноса капель в охлаждаемый объем.
Включение охладительной насадки в вентиляционную систему изменит температурно-влажностные характеристики воздуха в помещении, поэтому не обходимо определить режимы работы охладителей с помощью математического моделирования процессов тепломассопереноса и создания прикладных программ для численного расчета оптимальных геометрических параметров воздухоохла дителей водоиспарительного типа. Применение разработанных моделей в прак тике проектирования позволит на начальной стадии проанализировать возмож ные параметры микроклимата в охлаждаемом объеме, зависящие от технических характеристик используемой системы вентиляции.
В конце главы сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе исследуются возможности водоиспарительного охлаж дения и математическое моделирование процессов тепломассопереноса. При ведены теплофизические характеристики влажного воздуха и уравнения тепло вого баланса испарительной насадки.
Хорошо известна математическая модель тепломассопереноса в каналах испарительной насадки, представляющая систему квазилинейных дифференци альных уравнений в частных производных параболического типа. В водоиспа рительном канале сечения H=2h уравнения энергии и уравнение переноса мас сы имеют вид t t V ( y) C, (1) x y y V ( y) п D п, (2) x y y п ( x, y) ( x, y) н (t ), пн (t ) 10 5 (3,5t 2 40,6t 1090,5), (3) D 10 5 e 0.00616 t 0.719, где V – скорость воздуха, м/с;
- изобарная плотность воздуха, кг/м3, п – абсо лютная влажность воздуха, г/м3;
пн – плотность пара на линии насыще ния, кг/м3;
D – коэффициент диффузии, м2/с.
На поверхности пористой пластины t RJ п, y y 0 (4) п пн (tпов ), y где R – удельная теплота парообразования свободной воды, Дж/кг;
Jп – диффу зионный поток пара;
tпов – температура поверхности пластины, а на оси симмет рии канала выполняется условие четности:
п t 0, 0.
y y h y y h Начальными условиями являются условия на входе в канал:
t x0 t в х, x0 в х.
Эта модель, адекватность которой подтверждена многочисленными экс периментальными исследованиями, хорошо себя зарекомендовала в области испарительного охлаждения. Численная реализация этой математической моде ли, которую мы будем называть полной, позволяет определить температуру и влажность воздуха по длине испарительной насадки. К сожалению, данная мо дель не имеет аналитического решения, а для инженерных расчетов желательна формула, по которой можно было бы определять указанную выше температуру воздуха.
Упрощение этой модели возможно с помощью перевода ее в одномерную модель, учитывающую изменение характеристик воздуха вдоль испарительной насадки. В этом случае следует определенным образом осреднить физические параметры по сечению канала. Систему обыкновенных дифференциальных уравнений (5)–(6), полученных в результате интегрирования полной системы, dT Cvh J, (5) dx dW Jп, vh (6) dx c начальными условиями T x0 t в х, в х Wн (tв х ) W x условимся называть осредненной, где С – изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кгК);
d – влагосодержание, г/кг;
h – сечения канала испарительной на садки;
м;
J – плотность теплового потока, Вт/м2;
T – среднерасходная темпера тура, 0С;
W – среднерасходная плотность пара;
вх – относительная влажность входного воздуха, %;
t вх - температура воздуха на входе в охладитель, оС.
Численное решение полной системы с использованием неявных конечно разностных схем, реализованных стандартным методом прогонки, показало следующие результаты.
Во-первых, температура поверхности испарительной пластины остается практически неизменной и совпадает с Tпред. Это объясняется тем фактом, что на входе в канал происходит интенсивное испарение жидкости, вследствие чего температура поверхности пластины резко понижается.
Во-вторых, коэффициент теплоотдачи убывает в начальном участке и стабилизируется в установившемся режиме течения.
Для вычисления температуры воздуха в каналах можно воспользоваться уравнением J ( x) ( x)(T Tпов ), которое вместе с (5) дает dT Cvh ( x)(T Tпов ), (7) dx где Tпов определяется из уравнения СTпов R 10 5 (3,5Tпов 40,6Tпов 1090,5). (8) Ctв х R(tв х ) в х10 40,6tв х 1090,5) (3,5tв х К сожалению, уравнение (7) аналитического решения не имеет, хотя для инженерных расчетов желательна формула, по которой можно было бы опреде лять температуру воздуха по длине испарительной насадки.
Разобьем длину пластины на 2 участка: начальный [0, Lнач ] и установив CvH, где – теплопроводность смеси, шийся [ Lнач, x], где Lнач 0, Вт/(м·К);
H – сечение канала испарительной насадки, м.
В результате численного моделирования установлена возможность при менения в испарительных каналах известного выражения для критерия Нус сельта в процессах теплопереноса, аппроксимация которого может быть пред ставлена в виде [ Nu (0) Nu пред ]x Nu ( x) [ Nu (0) Nu пред ] exp( ) Nu пред, (9) Lнач где Nu – диффузионный критерий Нуссельта;
Nu(0)=17,51, Nuпред=3,777.
Nu( x ) Учитывая, что ( x ), после интегрирования и несложных пре H образований получаем, что при x Lнач 2 CvH 2 0, 055 3, 777x CvH CvH T ( x) Tпов (tв х Tпов ) e e, а при x Lнач 7, x CvH T ( x) Tпов (tв х Tпов ) 0,896 e. (10) При x = Lнач формулы (10) и (11) совпадают, что говорит о непрерывности полученного решения.
Таким образом, получена аналитическая формула для вычисления темпе ратуры воздуха по длине испарительной насадки.
Аналогично получим формулу для влажности:
(T ) (Ctв х R(tв х ) wн (tв х ) CT ) / R ( x), (12) н (T ) wн (T ) где – относительная влажность, %.
Из формулы (10) можно определить длину охладительной насадки L, м, при заданной температуре воздуха T на выходе из нее:
T Tпов CvH ln 1,12.
L (13) tвх Tпов 7,544 Сравнение результатов вычислений по полной и полученным формулам осредненной модели показало, что результаты расчета близки между собой, от носительная погрешность составляет менее 3%.
Реализация полученной математической модели позволяет определить количественные характеристики работы водоиспарительных охладителей.
В третьей главе экспериментально подтверждается адекватность разра ботанной математической модели и проводятся численные расчеты параметров и режимов работы охладительных блоков.
Программа исследования предусматривала решение следующих задач:
1. Определение «множителя энергетической добавки» для материалов, используемых в пластинах испарительной насадки.
2. Определение зависимости глубины охлаждения от входной температу ры воздуха и относительной влажности.
3. Определение влияния расхода воздуха на глубину охлаждения.
4. Проверка адекватности построенной математической модели тепло массопереноса в каналах охладителя водоиспарительного типа.
Для выполнения программы экспериментальных исследований был изго товлен опытный образец охладителя (рис. 1), изучению подвергались пластины испарительных насадок, изготовленные из сочетания материалов капрон-ткань.
Требовалось определить их свойства и оценить возможности использования в водоиспарительных насадках.
Испарительная насадка (см. рис. 1) состоит из набора пластин. Длина пластины составляет 200 мм, высота 200 мм. Количество пластин при ширине канала 3 мм составляет 40 штук. Вода подается сверху, жидкость увлажняет пластины, и испаряется в поток проходящего воздуха. Температура на входе в насадку и на выходе из насадки измерялась ртутным термометрами марки (ТМ 6-1 (ГОСТ 112-78)) с диапазоном измерений температуры от –50 до +50 оС и ценой деления 0.2 оС через отверстия 4 и 5.
Подача воздуха осуществляется осевым вентилятором марки ВК8 2 04.2.
Воздух, всасываемый вентилятором, подается по выравнивающей насадке в ис парительную насадку 2 и выбрасывается в окружающую среду через выравни вающую насадку 3.
5 3 а) вид сбоку 1 б) вид сверху Рис. 1. Опытный образец охладителя:
1 - испарительная насадка;
2, 3 - выравнивающие насадки;
4, 5 – отверстия для измерения температуры;
6 - заглушка Относительная влажность входного потока воздуха измерялась внутри выравнивающей насадки 2, а влажность выходного потока – на выходе из вы равнивающей насадки 3. Для этого применялся прибор METEOMASTER Т 262225 с диапазоном измерения относительной влажности от 20 до 100% с ша гом 0,1 %RH и точностью +/- 3 %RH. Скорость воздуха измерялась с помо щью крыльчатого анемометра АСО–3 (ГОСТ 6376–74), тип Б, с диапазоном из мерения скоростей направленного воздушного потока от 0,3 до 5 м/с при тем пературе воздуха от –10 до +50 оС и погрешностью измерений ±(0,1 +0,05·v) м/с. Чувствительность анемометра не более 0,2 м/с.
Объемный расход воздуха G, м3/с, определялся по формуле G=·f·v, (14) где f – площадь, в которой определяется скорость воздуха, м/с;
v – скорость воздуха, м/с.
Для возможности изменения расхода воздуха в опытном образце преду смотрена заглушка 6 на входе в испарительную насадку.
Также в главе выбраны и использованы методы статистики, необходимые для обработки результатов экспериментальных исследования и анализа адек ватности математической модели. Определены необходимые зависимости ха рактеристик работы охладителя от различных условий его работы.
Для обработки результатов измерений использовали известные методы теории вероятностей и математической статистики.
Проведенные опыты позволили определить экспериментальные значения температуры воздуха и относительной влажности воздуха на выходе из охлади теля, а также глубину охлаждения. Используя формулу С (tв х tk ), (15) r [ k d н (tk ) в х d н (tв х )] где dн – влагосодержание воздуха на линии насыщения, г/кг, мы получили зна чения «множителя энергетической добавки» для сочетания капрон-ткань, кото рый используется в качестве пластин испарительной насадки: {1,06;
1,13;
1,11;
1,29;
1,35;
1,24;
1,14;
1,38;
1,25;
1,11;
1,14}. Для получения теоретических зна чений с целью дальнейшего сравнения в полученные аналитические формулы подставим значения температуры и относительной влажности воздуха на входе, такие же, как и при проведении эксперимента, и среднее значение «множителя энергетической добавки» ср=1,197.
Сравнение температур воздуха на выходе из охладителя, полученных с помощью эксперимента и модели, показано на рис. 2. Максимальное отклоне ние теоретических значений от экспериментальных составляет 4,2 %.
На рис. 3 представлено сравнение теоретической и экспериментальной глубины охлаждения воздуха, т.е. разности температур на входе в охладитель и на выходе из него. Наибольшее отклонение на рис. 3 составляет 5%. Для опре деления зависимости эффективности работы охладителя от расхода воздуха по следний изменяли от 200 до 110 м3/ч (0,0555-0,03055 м3/с). Было проведено две серии опытов – по 10 экспериментов. В первой серии опытов входные парамет ры воздуха были tвх=35,6°С, вх=22,3%, во второй серии tвх=32,7°С, вх=29,5%.
Температура на выходе из охладителя, °С модель эксперимент 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Номер эксперимента Рис. 2. Температура на выходе из охладителя, G =200 м3/ч (0,0555 м3/с) Рис. 3. Глубина охлаждения, G =200 м3/ч (0,0555 м3/с) На рис. 4 и рис. 5 представлены зависимости изменения холодопроизво дительности испарительной насадки от расхода воздуха в первой и второй се риях опытов при постоянных температурно-влажностных значениях окружаю щей среды. Как и следовало ожидать, характер кривой, соединяющей точки, представляет собой практически прямо пропорциональную зависимость, где большему значению расхода воздуха соответствует большее значение холодо производительности.
На рис. 6 и рис. 7 представлены зависимости изменения глубины охлаж дения воздуха от расхода воздуха при постоянных температурно-влажностных значениях окружающей среды. Из представленных графиков видно, что, если расход воздуха повышается за счет увеличения ширины каналов насадки, глу бина охлаждения снижается вследствие снижения интенсивности процессов те пломассопереноса внутри охладителя.
Рис. 4. Зависимость изменения холодопроизводительности от расхода воздуха, tвх=35,6°С, вх=22,3% Рис. 5. Зависимость изменения холодопроизводительности от расхода воздуха, tвх=32,7°С, вх=29,5% Рис. 6. Зависимость изменения глубины охлаждения от расхода воздуха, tвх=35,6°С, вх=22,3% Рис. 7. Зависимость изменения глубины охлаждения от расхода воздуха, tвх=32,7°С, вх=29,5% Анализ графиков, представленных на рис. 4-7, позволяет сделать вывод о том, что при увеличении расхода воздуха в 2 раза холодопроизводительность увеличивается практически также в 2 раза, тогда как глубина охлаждения уменьшается всего на 2-2,5 оС. Следовательно, при конструировании испари тельных насадок нет необходимости стремиться к максимальной глубине охла ждения, так как основное влияние на изменение холодопроизводительности оказывает расход воздуха.
В ходе проведения эксперимента были получены эмпирические значения сравниваемых величин. Сравнение с аналогичными значениями точек, опреде ленных с помощью полученных формул модели, показало, что отклонение от экспериментальных данных не превышает 5 %, следовательно, можно сделать вывод о том, предложенная математическая модель и ее аналитическая реали зация адекватно описывают реальные процессы тепломассопереноса в каналах охладителя.
В четвертой главе произведено моделирование температурно-влаж ностных параметров в охлаждаемом помещении и оптимизация геометрических размеров охладителей.
Установлено, что существует оптимальное значение сечения канала или длины насадки с точки зрения холодопроизводительности для заданного вентиля торного блока. Вместе с тем от длины каналов охладителя прямо пропорцио нально зависит транспортное сопротивление насадки, увеличение которого снижает расход воздуха, а стало быть, и холодопроизводительность. Исходя из этого, было предложено несколько сокращать длину охладительной насадки, что приведет к уменьшению глубины охлаждения, но позволит увеличить рас ход воздуха за счет снижения аэродинамических сопротивлений. Для количест венной оценки этих изменений в предложенной математической модели необ ходимо учесть аэродинамические сопротивления.
При работе водоиспарительного охладителя поток воздуха при движении встречает транспортные сопротивления Ртр, внезапное сужение Рc, внезапное расширение Рr. Учитывая ламинарный режим движения парогазовой смеси внут ри охладителя, сопротивление на всем тракте движения воздуха по кондиционеру можно аналитически выразить как зависимость от скорости или расхода:
P= Ртр+Рс+Рр=f1(G,h,L). (16) С одной стороны, сопротивления формируют полную потерю давления воздуховодного тракта, а объемные расходы будут определяться характеристи кой вентилятора. Характеристика вентилятора отражает связь между давлением и объемом перемещаемого воздушного потока: P=f2(G). Такая характеристика вентилятора SHUFT AXW 500-4T показана на рис. 8. Аппроксимация значений расходно-напорных характеристик данного вентилятора дает удобную для ис пользования формулу P=40,21·еG –233,2·G2+476,4·G–198,3. (17) Рис. 8. Расходно-напорная характеристика вентилятора SHUFT AXW 500-4T В точке пересечения характеристики вентилятора и характеристики сети давление вентилятора равно сопротивлению сети, и количество воздуха в сис теме равно производительности вентилятора.
Математическая модель аэродинамических сопротивлений представляет собой трансцендентное уравнение, в правой части которого находится сумма всех сопротивлений, встречающихся на пути воздушного потока, а в левой час ти - расходно-напорная характеристика применяемого вентилятора P (G) P2 (G, h, l ). (18) Решение этого уравнения при заданных геометрических параметрах ох ладителя позволяет определить расход воздуха (рис. 9).
Совместное решение математической модели тепломассопереноса и представленной модели аэродинамических сопротивлений позволяет опреде лить зависимость температурно-влажностных параметров охлажденного возду ха от геометрических размеров охладителя.
Рис. 9. Определение расхода при заданной геометрии насадки Основным резервом повышения эффективности работы водоиспаритель ного охладителя является оптимизация его геометрических параметров. Рас смотрен процесс влияния длины испарительной насадки и ширины ее каналов на холодопроизводительность охладителя. Расчеты проводились на примере охладителя, состоящего из осевого вентилятора SHUFT AXW 500-4T, испари тельной насадки, вертикальный и горизонтальный размеры которой приняли 0,95 0,95 м, входные параметры воздуха tвх=30оС, вх=40 %.
Для определения характера воздействия длины насадки на холодопро изводительность охладителя при фиксированном значении горизонтальных размеров воздуховодных каналов (4 мм) изменяли длину насадки от 20 см до 380 см. Установлено следующее:
1) при увеличении длины испарительной насадки до определенного зна чения (1,2 м) холодопроизводительность растет;
2) глубина охлаждения воздуха вследствие увеличения рабочей площади пластин возрастает;
3) расход воздуха уменьшается по причине возрастающих аэродинамиче ских сопротивлений насадки.
Таком образом, несмотря на уменьшение расхода воздуха, холодопроиз водительность растет вследствие интенсивного роста глубины охлаждения.
Следует отметить, что снижение холодопроизводительности происходит более плавно, чем ее рост. Такое поведение кривой обосновано менее интенсивным увеличением аэродинамических сопротивлений вследствие снижения скорости воздуха.
При определении зависимости холодопроизводительности охладителя от ширины его воздуховодных каналов расчеты проводились при фиксированной длине насадки с увеличением горизонтального размера каналов от 2 до 9 мм.
Установлено, что при увеличении горизонтального размера воздуховод ных каналов до определенного значения происходит рост холодопроизводи тельности. В первую очередь, это обусловлено уменьшением аэродинамиче ских сопротивлений испарительной насадки, что влечет рост расхода воздуха.
Однако дальнейшее увеличение ширины каналов приводит к снижению холодопроизводительности. Это связано с тем, что при более широких каналах интенсивность процесса тепломассопереноса внутри каналов снижается, что приводит к снижению глубины охлаждения и, как следствие, снижению холо допроизводительности.
Следовательно, для каждого вентиляторного блока необходимо подби рать наиболее рациональные геометрические параметры охладительных наса док, опираясь на те температурно-влажностные показатели воздушной среды, которые мы хотим получить в результате его работы.
Входными параметрами задачи оптимизации являются:
внешние условия, в виде заданных температуры и влажности входного воздуха;
внешние геометрические габариты охладителя;
выбранная характеристика вентиляторного блока.
размер помещения, теплопоступления в нем.
Поиск оптимальной точки производится в процессе максимизации функ ции холодопроизводительности двумя путями: при фиксированной ширине ка нала изменяется длина насадки или, наоборот, при фиксированной длине охла дителя изменяется ширина между пластинами. Кроме того, при реализации ал горитма оптимизации может быть добавлено ограничение по относительной влажности в помещении, температурно-влажностные характеристики в котором определяются по формулам (kv - суммарный коэффициент теплопередачи огра ждающей конструкции, Вт/К) Q G c t k k v t н, tвн s G c k v G d н (t k ) k Wт вн.
G d н (t вн ) Рассмотрим процесс расчета при фиксированной длине насадки на при мере помещения, оборудованного системой вентиляции, которая включает в себя осевой вентилятор марки SHUFT AXW 500-4T, обеспечивающий расход воздуха в диапазоне G =4000-9500м3/ч (G =1,1-2,63 м3/с). Данное помещение имеет размеры 20155 м. Общие теплопоступления в жаркий период года примем 15000 Вт.
Расчеты показали, что при заданных значениях параметров наружного воз духа tвх=30оС, вх=40%;
«множителя энергетической добавки» =1,197 при конст руировании охладителей с длиной насадки 0,6 м необходимо, чтобы их ширина равнялась 2,8 мм. При этом будет достигаться наибольшая холодопроизводитель ность Q=24,99 кВт, а температура и относительная влажность воздуха внутри по мещения будут удовлетворять санитарным нормам: t=25,64 оС, =65%.
Часто пластины испарительных насадок изготавливаются с ребрами же сткости, фиксирующими сечения каналов. В этом случае появляется необходи мость нахождения оптимальной длины испарительной насадки. Она ищется по алгоритму, описанному выше, с той разницей, что фиксируется ширина канала h, а длина подбирается из условий максимальной холодопроизводительности.
Для этого же помещения проводился расчет при фиксированной ширине канала h=3 мм. Общие теплопоступления также примем 15000 Вт. Начальные значения: tвх=32оС, вх=30%. Расчеты показали, что таких входных данных дос тигается оптимальная холодопроизводительность Q=32400 Вт при длине насад ки L=0,73 м, температура и относительная влажность в помещении t=25,2 оС, =62%, расход воздуха 2,15 м3/с.
ВЫВОДЫ 1. Разработана математическая модель работы водоиспарительного охла дителя, включающая в себя уравнения движения, теплопроводности в пласти нах и тепломассообмена.
2. На основе математической модели предложены аналитические зависимо сти для определения основных параметров работы теплообменного блока.
3. Результаты численного моделирования тепломассопереноса показали, что использование известного критериального уравнения процессов теплооб мена обеспечивает достаточную точность и при наличии испарения.
4. По результатам экспериментальных исследований определен коэффици ент, характеризующий испарительные свойства материала пластин охладителя.
5. Проведены экспериментальные исследования температурно-влажных параметров охлаждаемого воздуха, которые подтвердили адекватность разрабо танной математической модели.
6. Предложена совместная модель, включающая расходно-напорные ха рактеристики вентилятора, аэродинамические сопротивления и модель тепло массопереноса в испарительных каналах, позволяющая определить режимы ра боты охладителя. Выполнены расчеты, дающие возможность определить тем пературно-влажностные параметры помещения при применении водоиспари тельного охлаждения.
7. Предложен алгоритм оптимизации геометрических параметров испари тельных охладителей в зависимости от расходно-напорных характеристик вен тиляторных блоков, позволяющий добиться максимальной холодопроизводи тельности установки.
8. Применение капиллярно-пористых пластин в водоиспарительных теп лообменниках более эффективно по сравнению с форсуночными охладителями за счет малых габаритов, значительно большей испарительной поверхности, контактирующей с воздухом, а также отсутствия возможности выноса капель в охлаждаемое помещение.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Чесноков А.С. Варианты монтажа и характеристики работы водо 1.
испарительных охладителей / В.П. Шацкий, А.С. Чесноков // Научный вестник Воронеж. гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. -2010. - № 3(19). - С. 32-39.
Чесноков А.С. Совместное моделирование тепломассопереносных и 2.
аэродинамических процессов в водоиспарительных охладителях / В.П. Шацкий, А.С. Чесноков // Научный вестник Воронеж. гос. арх.-строит. ун-та. Строитель ство и архитектура. - 2010. - № 3(19). - С. 40-46.
Чесноков А.С. О совместном моделировании тепло 3.
массопереносных и аэродинамических процессов в водоиспарительных охлади телях / В.П. Шацкий, А.С. Чесноков, В.А. Гулевский // Известия вузов. Строи тельство. – 2010. - № 5. – С. 50-57.
Публикации в других изданиях Чесноков А.С. Моделирование процессов тепло и массопереноса в 4.
каналах водоиспарительных охладителей / В.П. Шацкий, О.И. Грицких, А.С. Чесноков // Образование, наука, производство и управление: сб. тр. между нар. науч.-практ. конф. / СТИ МИСиС. - Старый Оскол, 2008. - Т.5. - С. 134-138.
Чесноков А.С. Охлаждение воздуха птицеводческих помещений / 5.
В.П. Шацкий, В.А. Гулевский, А.С. Чесноков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. - № 10. – С. 31-32.
Чесноков А.С. К вопросу о водоиспарительном охлаждении произ 6.
водственных помещений / В.П. Шацкий, В.А. Гулевский, А.С. Чесноков // Про блемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения: материалы XIV междунар. науч. конф. – Белгород: БГСХА, 2010. – С.
222-223.
Чесноков А.С. О возможности получения аналитического выраже 7.
ния температуры воздуха в водоиспарительных охладителях / В.П. Шацкий, А.С. Чесноков // Современные методы теории краевых задач: материалы Воро неж. матем. школы. - Воронеж, 2010. - С. 249.
Чесноков А.С. Аналитическое решение процессов тепло– 8.
массопереноса в каналах испарительной насадки / В.П. Шацкий, Л.И. Федуло ва, А.С. Чесноков // Образование, наука, производство и управление: сб. тр.
междунар. науч.-практ. конф. / СТИ МИСиС. - Старый Оскол, 2010. - Т. 1.- С.
233-236.
Чесноков Александр Сергеевич МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОДОИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подп. в печать 18.11.2011 г. Формат 60х84 1/16.
Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной и учебно-методической литературы Воронежского ГАСУ 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября,