close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Системы кондиционирования воздуха с сезонными аккумуляторами естественного холода.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Тарасова Елена Владимировна
СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА С
СЕЗОННЫМИ АККУМУЛЯТОРАМИ ЕСТЕСТВЕННОГО
ХОЛОДА
05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование
воздуха, газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень
2013 г.
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный
федеральный университет».
Научный руководитель:
Штым Алла Сильвестровна
кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты:
Калашников Михаил Петрович, доктор технических наук, профессор, декан
Строительного факультета Восточно-Сибирского государственного университета
технологий и управления
Бодров Валерий Иосифович, доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ, заслуженный работник Высшей школы,
заведующий кафедрой «Отопление и вентиляция» Нижегородского
государственного архитектурно-строительного университета
Ведущая организация: Национальный
исследовательский
государственный технический университет (НИ ИрГТУ), г. Иркутск
Иркутский
Защита состоится «17» декабря 2013 года в 1000 часов
на заседании диссертационного совета Д 212.272.01 при ФГБОУ ВПО
"Тюменский государственный архитектурно-строительный университет" по
адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тюменского
государственного архитектурно – строительного университета».
Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Пронозин Яков Александрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Мировая практика использования
энергоресурсов ориентируется на увеличение использования нетрадиционных
источников энергии и разработку энергосберегающих технологий. Одним из
главных приоритетов новой энергетической политики России, подтвержденных
ФЗ №261, является использование возобновляемых источников энергии.
Рациональное использование энергетических ресурсов возможно путем
проведения активной энергосберегающей политики и создания эффективных
систем и энергооборудования.
Учитывая возросшие требования к микроклимату помещений, потребление
энергии системами кондиционирования существенно увеличилось, поэтому
назрела необходимость использования экологичных и энергосберегающих
технологий. Аккумуляция холода в системах кондиционирования зданий с
использованием возобновляемого естественного источника холода – снега или
льда является одним из способов уменьшения потребления энергии и
экономически выгодным инженерным решением.
Территория России обладает огромными запасами холода, который может
успешно использоваться в короткий период жаркого лета. Таким образом,
применение аккумуляции холода в системах кондиционирования зданий с
использованием снега или льда имеет широкие перспективы развития, как
энергосберегающая технология.
Среди зарубежных стран технология аккумуляции льда и снега для систем
кондиционирования воздуха (далее СКВ) наиболее активно применяется и
развивается в Японии. Применение естественного холода в несколько раз снижает
затраты электроэнергии на СКВ в теплый период года.
Энергосберегающая технология на основе аккумуляции естественного льда
или снега для СКВ имеет широкие перспективы использования не только в
России, но и за рубежом, там, где климатические условия позволяют
аккумулировать естественный холод в зимний период года.
Степень разработанности темы исследования. В работах В.Р. Щекина,
В.Н. Богословского, О.Я. Кокорина, Н.Н. Павлова, Ю.И. Шиллера, Н.В.
Оболенского отмечено об использовании естественных источников холода для
СКВ. А.Ф. Абрамов, Д.Н. Юрьев, А.Ю. Ратников, Н.Н. Рожков, И.Б. Цесарский,
А.П. Комаров, А.М. Мусин, Ф.Г. Марьяхин, А.И. Учеваткин, Б.П. Коршунов,
Е.И. Назин, В.А. Лавров, С.С. Зверев, Л. Волконович, К. Сырги и другие
проводили исследования по применению естественного льда для сохранения и
охлаждения продуктов питания и сельскохозяйственной продукции.
Среди зарубежных авторов
работы К. Скогсберга, М. Кобиямы, Т.
Такахаси, А. Ванга и других посвящены сезонной аккумуляции естественного
холода (снега, льда, мерзлой земли) для СКВ различного назначения.
Анализ исследований, посвященных использованию естественных
источников холода, показал, что недостаточно изучены процессы тепломассообмена, происходящие в холодохранилищах. Отсутствует
методика
определения параметров воздуха, охлажденного при прямом контакте с
3
естественным источником холода. При расчете ограждающих конструкций
холодохранилищ не учитывается влияние тепловой инерции ограждающих
конструкций при радиационном воздействии солнца, что сказывается на
достоверности сроков и качестве процесса хранения льда или снега, а также на
расчете требуемых запасов льда или снега с учетом условий хранения.
Цели и задачи работы
Цель
работы
–
разработка
энергоэффективных
технологий
кондиционирования и эффективных методов расчета сезонной аккумуляции
естественного холода для систем кондиционирования воздуха с учетом влияния
тепловой инерции при радиационном воздействии солнца на ограждающие
конструкции холодохранилищ и определение термодинамических параметров
воздуха при контакте с естественным источником холода.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
1.
Разработать
физико-математическую
модель
изменения
термодинамических параметров воздушного потока при контакте с естественным
источником холода для их определения.
2. На основе моделирования процесса хранения снега в холодохранилище
определить характер изменения его теплофизических свойств и численные
значения – плотности, теплоемкости, пористости, степени наполнения пор влагой.
3. Для определения влияния солнечной радиации на теплопоступления в
холодохранилище выполнить экспериментальные исследования.
4. Разработать метод расчета запаса естественного источника холода – снега
или льда, с учетом выявленных недостатков существующей методики расчета
теплопоступлений через ограждающие конструкции холодохранилищ.
5. На основе выявленных путей
совершенствования конструкций
холодохранилищ разработать новые.
Научную новизну работы составляют:
1. Разработана математическая модель процесса тепломассообмена между
охлаждаемым воздухом и льдом, позволяющая рассчитать
изменение
термодинамических параметров воздуха в процессе тепло - и влагообмена между
потоком охлаждаемого воздуха и льдом в зависимости от начальной температуры
и влажности охлаждаемого воздуха, площади теплообмена и скорости
воздушного потока.
2. Экспериментальным путем установлен характер изменения с течением
времени и численные значения теплофизических свойств снега – плотности,
степени наполнения влагой, пористости снежной массы, теплоемкости снежноводяной массы, в условиях приближенных к хранению снега в холодохранилище.
3. С учетом фактического воздействия солнечной радиации и влияния
тепловой инерции на теплофизические характеристики ограждающих
конструкций, представлена программа расчета поступления теплоты в
аккумуляторы естественного холода при условии хранения естественного
источника холода.
3. Для повышения эффективности проектирования СКВ с сезонной
аккумуляцией естественного холода разработан метод расчета запаса снега или
4
льда в холодохранилищах, позволяющий учитывать процессы тепломассообмена,
происходящие в них в процессе хранения.
5. Разработаны новые конструкции холодохранилищ, имеющие технические
решения, повышающие их эффективность.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Использование предложенных в диссертации технологий и методов
расчета, определяющих количество и качество аккумуляции естественных
источников холода и свойств воздуха, будет способствовать повышению
эффективности работы систем кондиционирования воздуха, сбережению
энергетических ресурсов, улучшению экологической ситуации.
Результаты, полученные соискателем, использованы:
- при проектировании и создании опытного образца системы
кондиционирования (на основе аккумуляции естественного источника холода)
офисного помещения цеха деревообработки в Дальневосточном Федеральном
университете (акт внедрения прилагается), разработанная система автоматизации,
примененная на этом объекте, позволила существенно увеличить период работы
холодохранилища за счет рационального использования источника холода (20092010 гг.);
- при работе по гранту министерства образования и науки Российской
Федерации по ФЗ 218: «Организация высокотехнологичного инновационного
производства деревянных зданий и сооружений» в разделе «Разработка систем
жизнеобеспечения для инновационного модульного деревянного здания,
отвечающего требованиям энергосбережения и обеспечивающего требуемые
условия микроклимата в помещениях» государственный контракт 13.Q25.31.0043
от 7 сентября 2011 года. Разработан, внедрен и эксплуатируется опытный образец
системы СКВ с использованием льда, в качестве источника холода, для жилого
индивидуального дома из деревянных конструкций (2011-2012 гг.);
- для разработки технико-экономического обоснования аккумуляции
естественных
источников
холода
при
проектировании
системы
кондиционирования в овощехранилищах фермерских хозяйств Приморского края.
Методология и методы исследования. Работа выполнена с применением
патентно-информационного анализа проблемы, методов математического
моделирования, планирования эксперимента и статистической обработки данных,
экспериментальных методов: лабораторных, полупромышленных. Теоретической
и методологической базой диссертационной работы являются законы и методы
теории тепломассообмена и классической термодинамики.
Положения, выносимые на защиту:
- математическая модель процесса тепломассообмена между охлаждаемым
воздухом и льдом, разработанная для определения термодинамических
параметров охлажденного воздуха.
- программа расчета поступления теплоты в аккумуляторы естественного
холода, с учетом тепловой инерции ограждающих конструкций при поглощении
солнечной радиации.
- метод расчета запасов снега или льда в холодохранилищах, учитывающий
процессы тепломассообмена, происходящие в них в процессе хранения.
5
- результаты натурных исследований работы опытно-промышленной
системы кондиционирования воздуха на основе аккумуляции естественных
источников холода.
- новые конструкции холодохранилищ, имеющие технические решения,
повышающие их эффективность, защищенные патентами.
Степень достоверность полученных в работе результатов обеспечивается
корректным использованием фундаментальных методов теории теплообмена и
термодинамики для разработки математических моделей; использованием
оборудования и измерительных приборов, обеспечивающих достаточную
точность измерения; математическими методами планирования эксперимента и
обработки экспериментальных данных, а также обсуждением на научных
конференциях методов и результатов исследования с последующей их
публикацией. Практическим внедрением предлагаемых решений в системы
кондиционирования зданий.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты
исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на:
Международных Форумах Студентов, Аспирантов и Молодых Учёных Стран
Азиатско-Тихоокеанского Региона (2008-2012 гг.); конференциях «Вологдинские
чтения» (2008-2010 гг.) и «Молодежь и научно-технический прогресс» (2007-2011
гг.) в г. Владивостоке; научно-практической конференции «Проблемы развития
энергетики Приморского края и задачи топливно-энергетического комплекса края
и предприятий ЖКХ к ОЗП 2008-2009 гг.» г. Владивосток; всероссийских
конференциях «Экология и безопасность жизнедеятельности» 2009 г. и
«Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств»
2010 г. в г. Пенза.
Результаты работы опубликованы в центральных Российских изданиях Интернет-вестнике ВолгГАСУ 2011 г., Вестнике Иркутского государственного
технического университета 2012 г., Научном обозрении – 2012 г., Вестнике
гражданских инженеров – 2012 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 статьях
и докладах, из них в четырёх журналах, включенных в перечень ВАК и четырёх
патентах соискателя.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, выводов, списка литературы и трех приложений. Работа
содержит 151 страницу машинописного текста, 54 рисунка, 12 таблиц, список
литературы из 105 наименований.
Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно
сформулированной цели научной работы, ее научной новизне, установленной
практической значимости, диссертация соответствует паспорту специальности
05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха,
газоснабжение и освещение, пункту 1 «Совершенствование, оптимизация и
повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и
кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование
нетрадиционных источников энергии»; пункту 3 «Создание и развитие
эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем
6
теплоснабжения, вентиляции,
освещения, защиты от шума».
кондиционирования
воздуха,
газоснабжения,
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и
задачи, отражены научная новизна работы, практическая значимость результатов
исследований, их эффективность и области применения.
В первой главе выполнен аналитический обзор исследований и
технических решений систем охлаждения помещений с использованием
аккумуляции естественного холода. При выполнении аналитического обзора
научных работ установлено, что использование аккумуляции естественного
холода для СКВ применяется как в России, так и за рубежом - известны примеры
подобных систем в Японии, Швеции, Канаде, Америке, Китае.
Исследования процессов теплообмена, представленные в работах Кобиямы
М., распространяются только на один тип холодохранилища и не учитывают
процессы влагопереноса между потоком воздуха и естественным источником
холода.
Отсутствуют данные о численных значениях теплофизических свойств
естественных источников холода – снега и льда, таких как
плотность,
теплоемкость, пористость, изменяющихся в процессе хранения.
В существующих методиках расчета теплопоступлений от солнечной
радиации не учтено влияние инерционности на теплофизические характеристики
ограждающих конструкций, поэтому
рассмотрена задача нестационарного
теплообмена для пластины с граничными условиями третьего рода и установлено,
что при учете инерционности снижаются габариты и объем холодохранилища.
Предложена классификация существующих типов холодохранилищ и
намечены пути их совершенствования с целью повышения эффективности
работы.
Во второй главе разработана математическая модель процесса тепломассообмена между охлаждаемым воздухом и льдом. За основу принята модель
тепло-массообмена воздушного потока с водой, разработанная В.Н.
Богословским. Задача разработки математической модели сведена к определению
термодинамических параметров влажного воздуха при контакте с естественным
источником холода (льдом или снегом) на основе уравнений теплового баланса, с
учетом постоянной температуры водяной пленки (0 оС), которая образуется на
поверхности льда при контакте с охлаждаемым воздухом (рис. 1).
Рис. 1. Процесс охлаждения воздуха при соприкосновении со льдом.
7
Принимая допущение, что при больших скоростях воздуха определяющим
фактором является молярный перенос, следовательно, справедливо уравнение
Меркеля. Используя уравнения теплового баланса для контактирующих сред,
общие дифференциальные уравнения тепло - и влагообмена воздуха со льдом
можно записать в следующем виде:
- по полной теплоте:
Gв  dI в  d ( I в  I насыщ )dF ,
(1)
- по явной теплоте:
Gв  cв  dtв   (tв  tнасыщ )dF ,
(2)
где  d - коэффициент влагоперехода, кг/(с·м );  - коэффициент
теплоотдачи Вт/( м2· К); F - площадь поверхности контакта воздуха и льда, м2; I
- энтальпия воздуха, кДж/кг; t - температура воздуха, оС; индекс (в) относится к
параметрам основного воздушного потока, индекс (насыщ) к параметрам слоя
воздуха на границе со льдом (влажность 100%, температура 0 ºС), Gв - массовый
расход воздуха, кг/ч; cв - теплоёмкость воздуха, кДж/(кг∙К).
I насыщ , tнасыщ - являются постоянными и не изменяются с течением времени.
После разделения переменных и интегрирования уравнения (1), получено:
ln I в  I насыщ  
d
2
( F  C ) или
I в  I насыщ  e

d
Gв
Gв
где C - произвольная постоянная.
Конечным решением уравнения (1) является:
I в  I насыщ  ( I вo  I насыщ )  e

F  d
Gв
( F C )
(3)
(4)
Аналогично находятся решение для уравнения (2):
tв  tнасыщ  (tвo  tнасыщ )  e

F 
Gв cв
(5)
где, tвo - начальная температура воздуха, оС.
Параметры  d и  связаны между собой соотношением Льюиса.
Чтобы проверить адекватность разработанной математической модели и
найти численные значения коэффициента теплоотдачи и влагоперехода был
проведен физический эксперимент.
Экспериментальная установка представлена на рис. 2, 3. В стеклянном
корпусе, размерами 880х285х480 мм, находится
контейнер
размерами
800х240х60 мм со льдом, имеющем температуру на поверхности льда 0ºС.
Выполнена теплоизоляция контейнера со всех сторон, с помощью листов ПСБ-С,
толщиной 50 мм, и герметизация. В стеклянный контейнер заведено два гибких
пластиковых воздуховода диаметром 100 мм – подающий и обратный. Внутри
контейнера находятся воздухораспределители – перфорированные воздуховоды.
Таким образом, достигается равномерный поток воздуха по высоте контейнера.
8
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Рис. 3. Общий вид экспериментальной установки (фронтальная теплоизоляционная
панель снята со стеклянного контейнера)
С
целью
оптимизации
проведения
эксперимента
и
анализа
экспериментальных данных выполнено
его планирование. Эксперимент
проводился при равномерном дублировании опытов. В качестве параметра
оптимизации принят коэффициент теплоотдачи от воздушного потока к
поверхности льда  . Основными фактором, определяющим  , является скорость
воздушного потока внутри стеклянного контейнера ( Vк ).Для уменьшения
погрешности при определении  , вследствие теплообмена между потоком
воздуха и стенками контейнера, вторым фактором, принята температура
воздушного потока на входе в стеклянный контейнер ( tво ). Относительная
погрешность определения  составила от 2,3% до 2,8%.
Диапазон варьирования скорости воздуха Vк принят от 0,05 до 0,47 м/с,
начальной температуры воздуха
tво - от 25 ºС до 35 ºС. Пределы варьирования Vк
и tво выбирались в соответствии с диапазоном скоростей воздуха используемых в
холодохранилищах и температур охлаждаемого воздуха в офисных и жилых
помещениях. Для каждого опыта матрицы планирования определялась дисперсия
s 2j , используя критерий Кохрена, проверялась гипотеза однородности дисперсий s 2j
опытов. Дисперсии однородны, так как значение критерия Кохрена составило
0,101, что меньше 0,138, соответствующего 5% уровню значимости.
9
В общем случае, зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса:
Nu  z  Ren1 ,
(6)
где z и n1 - постоянные величины, определенные опытным путем.
В графическом виде зависимость lnNu от lnRe для экспериментальных
данных представлена на рис. 4. Эксперимент, описанный выше, проведен в
лаборатории при температурах воздуха 16,7 ºС и 26,4 ºС. Полученные данные
свидетельствуют о хорошей воспроизводимости результатов эксперимента и
достаточной теплоизоляции экспериментальной установки. Аналогичный
эксперимент проведен для источника холода – снега.
10
9
8
7
lnNu
лёд 1
y = 1,0885x - 3,3062
снег
лёд 2
y = 1,1077x - 3,4516
6
y = 1,2705x - 5,3771
5
Линейная (лёд 1)
Линейная (снег)
Линейная (лёд 2)
4
3
6,5
7,5
8,5
9,5
10,5
lnRe
Рис. 4. Зависимость lnNu от lnRe для экспериментальных данных
Эксперимент со льдом при температуре воздуха в лаборатории - 16,7 ºС и 26,4 ºС;
эксперимент со снегом при температуре воздуха в лаборатории 23,9 ºС
Согласно проведенному анализу опытных данных:
- зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса при 2000  Re  20000 :
для льда Nu  0,036  Re1,09 ,
(7)
для снега Nu  0,0046  Re1,27 ,
(8)
- значения коэффициента теплоотдачи, рассчитанные по зависимости,
выраженной из найденного теоретически уравнения (5) при tж = 0 ºС совпадают с
экспериментальными значениями  (критерий Фишера
менее 1,7, что
соответствует 5% доверительному уровню вероятности).
Зависимости (4) - (8) позволяют рассчитать изменение параметров воздуха в
процессах тепло - и влагообмена между охлаждаемым потоком воздуха и льдом в
зависимости от начальной температуры и влажности охлаждаемого воздуха,
площади теплообмена и скорости воздушного потока.
Выполнен эксперимент для определения характера и численных значений
изменения свойств снега с течением времени: плотности; степени наполнения
10
влагой; пористости снежной массы; теплоемкости снежно-водяной массы, в
условиях приближенных к хранению снега в холодохранилище.
Снег в объеме снегохранилища является не однородной массой, в нем
имеется воздух, количество которого определяется пористостью снега, и вода,
которая начинает образовываться при таянии снега. В процессе хранения
снежной массы ее теплофизические свойства изменялись: плотность - от 384 кг/м3
до 740 кг/м3; степень наполнения влагой - от 0 до 1; средняя пористость снега - от
58 %, до 19,2%; теплоемкость снежно-водяной смеси изменялась от 2 кДж/(кгК)
до 4,1 кДж/(кгК) - в конце эксперимента.
Данные, полученные в результате эксперимента, необходимы для расчета
следующих величин: максимальной массы снега в снегохранилище; количества
холода, которое отдаст снежная масса при нагреве до температуры плавления;
массы снега в холодохранилище в теплый период года.
В третьей главе представлена разработанная опытно-промышленная
(пилотная)
установка
кондиционирования воздуха с использованием
аккумуляции естественного источника холода, на которой был проведен
натурный эксперимент. Установка обеспечивает комфортные условия в теплое
время года в офисном помещении учебного центра деревообработки ДВФУ.
Схема установки защищена патентом на изобретение № 2411418 и представлена
на рис. 5.
Холодохранилище представляет собой теплоизолированный алюминиевый
контейнер, имеющий размеры - 3000х1100х1500. Внутри контейнера рядами
уложены 5-ти литровые пластиковые емкости с водой. Общее количество
емкостей – 486 шт., между которым и сформированы проходы для движения
воздуха. Многократное использование пластиковых емкостей является
экологичным решением. Вода замораживается в пластиковых емкостях в зимнее
время
естественным
путем,
после
чего
контейнер
закрывается
теплоизолированной крышкой (середина февраля), лед сохраняется до лета и
далее используется в системе кондиционирования офисного помещения.
Количество аккумулированного льда - 2430 кг.
С целью оптимизации потребления потенциала льда и с учетом плана
эксперимента
работа
опытно-промышленной
установки
полностью
автоматизирована на базе контроллеров КОНТАР. Система автоматизации
обеспечивает комфортные условия (согласно графику работы персонала) и режим
экспериментального исследования.
Охлаждение офисного помещения началось 15.06.2010, запасенного льда
хватило для работы системы кондиционирования до 9 июля. Система охлаждения
автоматически включалась в течение 12 рабочих дней. В остальные дни, из
указанного периода, охлаждение воздуха не требовалось.
11
Рис. 5. Схема опытно-промышленной (пилотной) установки
Максимальная мощность охлаждения на выходе воздуха из контейнера
составила – 3,9 кВт, на выходе воздуха из приточных решеток в помещении - 3,2
кВт. Расход воздуха, проходящего через охлаждаемое помещение, определённый
расчетным путем, был постоянным и равным 750 м³/ч.
Эксплуатацию холодохранилища можно представить тремя режимами
работы (рис. 6): 1 - хранением льда; 2 - охлаждением помещения за счет таянья
льда; 3 - охлаждением помещения за счет использования холода талой воды (при
остатке менее 10% от запасенного льда).
Максимальное количество холода производится при фазовом переходе лёдвода, который осуществляется при втором режиме работы.
Составлена программа расчета поступления теплоты в аккумуляторы
естественного холода с учетом тепловой инерции в их ограждающих
конструкциях при поглощении солнечной радиации. Язык программирования –
Microsoft Visual Basic.
Стенка хранилища представляет собой многослойную конструкцию,
основным слоем которой является теплоизоляция. Как правило, теплоизоляция
покрыта защитным слоем, который имеет сравнительно малую толщину и мало
влияет на теплоизоляционные свойства стенки.
12
Рис. 6. Изменение средней температуры на дне холодохранилища
Принято упрощение - расчетным слоем для нестационарного теплообмена
взят только слой теплоизоляции. Для расчета принята модель неограниченной
пластины (рис. 7). Приток тепла ( qтп ) через стенку холодохранилища является
нестационарным и зависит от изменений температуры наружного воздуха ( tнар. ) и
интенсивности солнечной радиации ( i p ), которые изменяются гармонически (рис.
8).
Рис. 7. Распределение
температуры в сечении
ограждения
Рис. 8. Изменение температуры
наружного воздуха и интенсивности солнечной
радиации в течение суток
Температура внутри холодохранилища ( tвн ) принята постоянной, равной,
согласно экспериментальным данным, +1°С.
Температура на внутренней поверхности ограждающих конструкции
холодохранилища в темное время суток ( tвн.пов. ) изменяется под воздействием
температуры наружного воздуха, в светлое время суток ( tвн/ .пов. ) на ее изменение
дополнительно оказывает влияние солнечная радиация. Температура наружного
ср
воздуха ( tнар. ) в течение суток определяется среднесуточной величиной tнар
. и
амплитудой изменения Аtнар . :
13
2 max
(9)
( zнар.  z ) ,
T
max
где zнар
. - время суток с максимальной наружной температурой, час; T количество часов в сутках (24 часа); z - текущий час суток.
Интенсивность солнечной радиации в течение светлого периода суток:
2
(10)
i p  i p/  Аi cos ( z max
 z) ,
р
p
T
где i p/ - интенсивность солнечной радиации в 6 или в 18 часов (при условии
зенита солнца в 12 часов) Вт/м²; Аi - амплитуда изменения солнечной радиации
ср
tнар.  tнар
.  Аtнар . cos
p
Вт/м².
При поглощении солнечной радиации, происходит нагрев наружной
поверхности ограждающих конструкций холодохранилища на величину ti р , это
воздействие выражено через условную температуру наружного воздуха:
t усл  tнар. 
ip    kз
н
(11)
где  - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом
наружной поверхности ограждающей конструкции; k з - коэффициент затенения
ограждающей конструкции.
Для решения задачи нестационарного теплообмена через ограждающие
конструкции холодохранилища использован метод конечных разностей. При
теплопередаче через стенку задача нестационарной теплопроводности принята
одномерной, температура t ( x, ) является функцией двух переменных, выбрана
прямоугольная сетка. Весь интервал измерения x (от 0 до l ) разбит на
одинаковые интервалы  x , а отрезок расчетного времени на равномерные
интервалы  .
Дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности в
конечно-разностной форме
относительно будущей температуры в
рассматриваемой точке запишется следующим образом:
 2a

a
tm,k 1  2  tm1,k  tm1,k    2  1 tm,k  (a 2   1 ) ,
(12)
x
 x

где m - порядковый номер интервала  x ; k - порядковый номер интервала
 ;  1 и  2 - остаточные члены, учитывающие переход от производных функций к
разностным отношениям.
Устойчивость выражения (12) обеспечивается при условии: (a ) /  x 2  1/ 2 ,
с точностью порядка аппроксимации O( , x 2 ) ; при (a ) /  x 2  1/ 6 , с точностью
порядка - O( 2 , x 4 ) .
Согласно описанной математической модели составлена программа расчета
теплопоступлений в холодохранилища на языке программирования Microsoft
Visual Basic. Алгоритм программы приведен на рис. 9.
14
15
Рис. 9. Алгоритм программы расчета теплопоступлений в холодохранилища
Произведенный расчет теплопоступлений в холодохранилище опытнопромышленной установки в разработанной программе показал, что расчетные
значения теплопоступлений совпадают с экспериментальными данными.
На рис. 10 представлены результаты расчета и экспериментальные данные
изменения температуры в мае на наружной поверхности ограждающей
конструкции холодохранилища. На этой поверхности установлены датчики Т9, Т1
и Т8. Экспериментальные данные приведены для 11, 22 и 23 мая. Остальные
значения экспериментальных данных находятся в той же области диаграммы.
расчетная
температура
11.05 - Т9
19
Температура, °С
17
11.05 - Т1
15
11.05 - Т8
13
22.05 - Т9
11
22.05 - Т1
9
22.05 - Т8
7
23.05 - Т9
5
3
23.05 - Т1
0
5
10
15
Час суток
20
23.05 - Т8
Рис. 10. Изменение температуры в мае на наружной поверхности ограждающей
конструкции холодохранилища опытно-промышленной установки охлаждения воздуха
В четвертой главе представлена технология расчета аккумуляторов
естественного холода для систем кондиционирования воздуха с учетом процессов
тепломассообмена, происходящих в холодохранилищах.
Техническими
параметрами,
характеризующими
холодохранилище,
3
являются: Vх - объем холодохранилища, м ; Fх - поверхность холодохранилища, м2;
R - сопротивление теплопередачи ограждающих конструкций холодохранилища,
год
(м2∙оС)/Вт;  - время хранения, ч; Qпол
- полезно используемый холод или годовое
год
потребление холода системой СКВ, кДж/год; Qобщ
- годовой запас холода, кДж/год;
год
год
n  Qпол
/ Qобщ
- коэффициент эффективности теплоизоляции – отношение полезноиспользованного холода к общему запасу холода, или это отношение объема льда
(снега), который необходим для охлаждения помещения, к объему льда (снега),
который следует запасти в холодный период года с учетом периода хранения.
Существующее холодохранилище опытно-промышленной установки не
удовлетворяет потребности охлаждения офисного помещения в течение всего
теплого периода года. Требуемая масса запасаемого льда составляет – 8000 кг,
16
при этом срок окупаемости СКВ с аккумуляцией естественного льда по
сравнению с Mylty Split системой увеличивается до 9,3 лет.
Выполнен анализ технико-экономических показателей СКВ с аккумуляцией
естественного холода на примере офисного двухэтажного здания по сравнению с
системой «чиллер-фэнкойл» и Mylty Split. В качестве СКВ с аккумуляцией
естественного холода принята система с льдохранилищем и жидким
холодоносителем. При сравнении с системой «чиллер-фэнкойл», простой срок
окупаемости системы с аккумуляцией холода – 3,7 лет, дисконтированный срок
окупаемости - 4,8 лет. На 1 м2 площади пола офисного помещения приходится:
0,9 м3аккумулированного льда; 3350 руб. капиталовложений; 332 руб.
эксплуатационных затрат в год.
На основании произведенных технико-экономических расчетов сделан
вывод о предпочтительном использовании централизованных СКВ с сезонными
аккумуляторами естественного холода для помещений больших объемов и целых
зданий.
Анализ технических характеристик СКВ с аккумуляцией естественного
холода показал, что основным их преимуществом является малое потребление
энергии. При сопоставлении системы «чиллер-фэнкойл» с СКВ с аккумуляцией
естественного холода установлено что, при прямом охлаждении воздуха в
холодохранилище энергозатраты снижаются максимально в 7 раз, а в СКВ с
промежуточным жидким холодоносителем – в 15 раз.
Произведенная оценка экологической эффективности СКВ с аккумуляцией
естественного холода показала, что уменьшение потребления условного топлива
на одну тонну запасенного снега или льда может достигать 9,3 кг у.т., а снижение
выбросов СО2-19 кг. Для двухэтажного офисного здания, рассмотренного в
данной главе, годовая экономия условного топлива составила 1,3-1,4 т/год,
годовое снижение выбросов СО2 - 2,64 т/год (по сравнению с системой «чиллерфэнкойл»).
В пятой главе представлены разработанные новые конструкции
холодохранилищ,
имеющие
технические
решения,
повышающие
их
эффективность.
Холодогенератор с трехступенчатым теплообменником - патент на
изобретение № 2413142 (рис. 11). Конструкция холодогенератора содержит
теплообменник, позволяющий повысить холодопроизводительность за счет
увеличения регенерационной способности источника холода и интенсификации
процессов теплообмена между талой водой снежно-ледяного массива и
охлаждаемой жидкостью, разделенными поверхностями теплопередачи.
Холодоисточник состоит из корпуса прямоугольной формы (1) с двойными
стенками, полость (2) между которыми вакуумированна с давлением воздуха
внутри полости 0,003 МПа. Стенки и крышка (3), покрыты теплоизоляцией.
Внутри корпуса по ходу охлаждаемой воды размещается трубчатый
экономайзерный теплообменник (4), который имеет наружное оребрение
квадратной формы, промежуточный капельно-ударный теплообменник (5) и
контактный теплообменник (6), размещенный над ним. Каждый теплообменник
17
снабжен горизонтально расположенными коллекторами (7) для равномерной
подачи и отвода жидкости.
Рис. 11. Продольный разрез холодогенератора
Промышленная установка скважинного типа для охлаждения воздуха –
патент на изобретение № 2428639. Схема установки представлена на рис. 12.
Рис. 12. Промышленная установка скважинного типа для охлаждения воздуха
1- подающий воздуховод; 2 – нагнетающий вентилятор; 3 – обратный воздуховод, 4 –
вентилятор для подачи охлажденного воздуха; 5 – обратный клапан
Охлаждаемый воздух поступает в льдохранилище по подающему
воздуховоду (1), нагнетаемый вентилятором (2). После прохождения через
скважины со льдом воздух по обратному воздуховоду (3) с помощью вентилятора
(4) поступает в охлаждаемое помещение. В качестве источника холода
используется массив льда, намораживаемый в траншеях в зимний период, что
дает возможность запасать большие объемы льда и уменьшать потери холода
18
через стенки холодохранилища в теплый период года. Устройство скважин
специальной конструкции позволяет охлаждать воздух при прямом контакте с
массивом льда.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации на основании выполненных исследований решена актуальная
научная задача – разработаны энергоффективные методы кондиционирования и
эффективный комплексный метод расчета сезонной аккумуляции естественного
холода для систем кондиционирования воздуха с учетом влияния солнечной
радиации на срок хранения льда или снега, и изменения термодинамических
параметров воздуха при контакте с естественным источником холода. Это имеет
существенное значение для создания эффективных систем кондиционирования
воздуха в условиях современных требований по энергосбережению. Проведенные
исследования позволили сформулировать следующие выводы:
1.
На основе разработанной математической модели получены
уравнения для расчета термодинамических параметров воздуха, изменившихся в
процессе тепло- и влагообмена между охлаждаемым потоком воздуха и льдом, в
зависимости от начальной температуры и влажности охлаждаемого воздуха,
площади теплообмена и скорости воздушного потока. При анализе результатов
проведенного эксперимента определена зависимость числа Нуссельта от числа
Рейнольдса при 2000  Re  20000 , для расчета коэффициента теплоотдачи от
потока воздуха к поверхности льда. Диапазон чисел Рейнольдса соответствует
скоростям воздуха, поступающего в холодохранилище.
2.
Установлен характер изменения с течением времени и численные
значения теплофизических свойств снега – плотности, степени наполнения
влагой, пористости снежной массы, теплоемкости снежно-водяной массы, в
условиях приближенных к хранению снега в холодохранилище. На основе
полученных данных можно рассчитать максимальную массу снега,
закладываемого в снегохранилище при известных его размерах, и определить
количество холода, которое отдаст снежная масса при нагреве до температуры
плавления и в процессе фазового перехода.
3.
Выполнены экспериментальные исследования влияния солнечной
радиации на теплопоступления в холодохранилище. Разработанная
и
смонтированная
опытно-промышленная
(пилотная)
установка
кондиционирования воздуха с использованием аккумуляции естественного
источника холода, обеспечивает комфортные условия в теплое время года в
офисном помещении учебного центра деревообработки
ДВФУ и служит
экспериментальной базой для проведения научных исследований. Схема
установки защищена патентом на изобретение (№ 63780).
4.
Разработан комплексный метод расчета сезонной аккумуляции
естественного холода с учетом: влияния солнечной радиации на срок хранения
льда или снега (создана программа расчета теплопоступлений на языке
программирования Microsoft Visual Basic); изменения теплофизических свойств
19
естественного источника холода в процессе хранения; сроков хранения и периода
эксплуатации.
5.
Разработанные новые конструкции холодохранилищ, имеющие
технические решения, повышающие их эффективность: холодогенератор с
трехступенчатым теплообменником - патент на изобретение № 2413142;
промышленная установка скважинного типа для охлаждения воздуха - патент на
изобретение № 2428639.
На основе проведенных исследований намечены следующие этапы изучения
процессов: тепломассобмена при естественной конвекции воздуха внутри
холодохранилищ;
влияние
затенения
ограждающих
конструкций
на
теплопоступления в холодохранилища; изменение влажности воздуха в
помещениях, охлаждаемых СКВ с аккумуляторами естественного холода;
теплоотдачи в различных типах трубчатых теплообменников холодохранилищ и
др.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИИ
Рецензируемые научные журналы и издания перечня ВАК
1. Тарасова, Е.В. Изменение физических свойств снега в аккумуляторах
естественного холода систем кондиционирования воздуха / Е.В. Тарасова, А.С.
Штым, А.С. Кузьменко // Интернет-вестник ВолгГАСУ. – 2011. №2(16). ISSN
1994-0351. – Режим доступа: www.vestnik.vgasu.ru.
2. Тарасова, Е.В. Опыт применения естественного льда для
холодоснабжения / Е.В. Тарасова, А.С. Штым, А.С. Кузьменко // Вестник
Иркутского государственного технического университета. – 2012, №3. – С. 70-76.
ISSN 1814-3520.
3. Тарасова, Е.В. Поступление теплоты в сезонные аккумуляторы
естественного холода с учетом тепловой инерции ограждающих конструкций
при поглощении солнечной радиации/ Е.В. Тарасова, А.С. Штым. // Научное
обозрение. - 2012, №6. – С. 114-121.
4. Тарасова, Е.В. Изменение термодинамических параметров охлажденного
воздуха при прямом контакте с естественным источником холода / Е.В. Тарасова,
А.С. Штым // Вестник гражданских инженеров.-2012, №6(35). – С. 107-112.
Авторские свидетельства и патенты
1. Патент РФ на изобретение № 2413142. Тарасова Е.В., Захаров Г.А., Штым
А.С.,
Королева Е.А.,
Цыганкова К.В., Клименко Е.В. Холодоисточник.
Зарегистрировано в гос. реестре изобретений 28.09.2009, Федеральная служба по
интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
2. Патент РФ на изобретение № 2411418. Тарасова Е.В., Штым А.С.,
Королева Е.А., Кузьменко А.С., Румянцев Н.С. Система охлаждения помещений и
оболочка для кусков льда теплоизолированной камеры для льда такой системы.
20
Зарегистрировано в гос. реестре изобретений 05.11.2009, Федеральная служба по
интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
3. Свидетельство РФ на полезную модель № 94670. Тарасова Е.В., Штым
А.С., Королева Е.А., Кузьменко А.С., Румянцев Н.С. Устройство для охлаждения
помещения. Зарегистрировано в гос. реестре полезных моделей РФ 11.01.2010.
4. Патент РФ на изобретение № 2428639. Тарасова Е.В., Штым А.С.,
Яценко Ю.П., Королева Е.А., Кузьменко А.С., Румянцев Н.С., Маркелова И.А.,
Цыганкова К.В. Холодоисточник. Зарегистрировано в гос. реестре изобретений
16.03.2010, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и
товарным знакам.
Остальные наиболее значимые публикации
1. Tarasova, E.V. Keeping of the accumulated snow and ice TCP/ IP client –
serwer system for transmitting voice and text through secure communication channels /
E.V. Tarasova, A.S. Kuzmenko // Сб. статей Десятого Международного Форума
Студентов, Аспирантов и Молодых Учёных Стран Азиатско-Тихоокеанского
Региона. – Владивосток: ДВГТУ, 2010.– С.93-96.
2. Тарасова, Е.В. Утилизация холода снега и льда для систем охлаждения
помещений / Е.В. Тарасова, Г.А. Захаров, А.С. Штым, Е.А. Королева // Сб. статей
международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение
ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств». – Пенза: ПДЗ, 2010. –
С.60-62.
3. Тарасова, Е.В. Air-conditioning system for apartment residences by using cold
water made from snow accumulated until summer / Е.В. Тарасова, M. Kobiyama, А.С.
Штым // Сб. статей. Теплоэнергетика и энергосбережение, под ред. А.Н. Штым. –
Владивосток: Изд. Дальневосточного федерального университета, 2011. – С. 168171.
4. Тарасова, Е.В. Оценка сравнительной экономической эффективности в
различные по видам проектные решения систем кондиционирования воздуха
офисного здания / Е.В. Тарасова, А.С. Штым, А.А. Когаль // Сб. материалов
Международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых
стран Азиатско-Тихоокеанского региона, Ч. 1. – Владивосток: ДВФУ, 2012. – С.
130-135.
5. Тарасова, Е.В. Схемы и конструкции аккумуляторов естественного холода
в системах кондиционирования воздуха/ Е.В. Тарасова, А.С. Штым // Вестник
Инженерной школы ДВФУ №4 – Владивосток: ДВФУ. 2012. – С.70-78.
21
Тарасова Елена Владимировна
СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА С СЕЗОННЫМИ
АККУМУЛЯТОРАМИ ЕСТЕСТВЕННОГО ХОЛОДА
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Подписано в печать 13.11.2013. Формат 60×84 1/16
Усл. печ. л. 1,27 изд. л. 1,18
Тираж 130 экз. Заказ 629.
Отпечатано в Дирекции публикационной деятельности ДВФУ
690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
14
Размер файла
896 Кб
Теги
сезонными, аккумуляторами, система, воздух, естественной, холод, кондиционирование
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа