Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Адиабатическое увлажнение воздуха в кондиционерах с DEC-системой. Расчет величины косвенного охлаждения

В. Е. Воскресенский, профессор СПбГЛТУ

А. М. Гримитлин, директор ООО НПП «Экоюрус-Венто»

Система осушительного и испарительного охлаждения — Desiccative and Evaporative Cooling (DEC), применяемая в кондиционерах, принадлежит к «экологически чистым» системам, которые отвечают требованию «обеспечения устойчивости среды обитания», предъявляемому международными рейтинговыми программами LEED, BREEM, DGNB к инженерным системам ОВК нового поколения.

В основе DEC-системы [1] лежит адиабатическое увлажнение приточного и вытяжного воздуха (см. справку), которое сопровождается его косвенным адиабатическим охлаждением на величину , определяемую из выражения , где t_c, t_м — температура воздуха перед адиабатическим увлажнителем по сухому и мокрому термометрам, °С; Е — эффективность увлажнителя в долях единицы.

Однако в технической литературе отсутствует научно обоснованная методика определения значений температур t_м и t_c приточного и вытяжного воздуха перед адиабатическим увлажнителем, что затрудняет получение точных величин  при изменяющихся значениях температуры t₁ и влагосодержания d₁ наружного воздуха.

Справка [2]. Адиабатическим увлажнением называется процесс повышения влагосодержания воздуха с сохранением энтальпии — без подвода или отвода энергии из системы. Увлажнители, работающие по этому принципу, распыляют воду в виде мельчайших капель, которые моментально испаряются в воздухе.

Рис. 1. Процесс адиабатического увлажнения воздуха

Поскольку подобный процесс сам по себе является энергозатратным, для испарения 1 кг воды требуется подвести энергию около 0,71 кВт·ч, таким образом происходит отбор явной теплоты от воздуха и перевод ее в скрытую теплоту, т. е. с понижением температуры (рис. 1).

В статье на примере рассмотрения параметров воздушных потоков линий вытяжки и притока кондиционера с классической DEC-системой [1] по зонам тепловлажностного состояния воздуха (рис. 2) приводится вывод аналитических зависимостей для определения температуры по мокрому термометру приточного t_м4 и t_м6 вытяжного воздуха перед адиабатическими увлажнителями 8 и 9, а также алгоритм определения величины косвенного адиабатического охлаждения воздушных потоков  и дефицита влаги Dd^5,4, Dd^7,6 перед адиабатическими увлажнителями, необходимого для расчета  производительности увлажнителей.

Принципиальная схема кондиционера с классической DEC-системой приведена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема кондиционера с классической DEC-системой и нумерацией зон тепловлажностного состояния воздушных потоков линий вытяжки и притока:

1, 2 — приточная и вытяжная камеры; 3, 4 — радиальные вентиляторы приточной и вытяжной камер; 5 — DEC-система; 6 — адсорбционный роторный рекуператор; 7 — роторный теплообменник; 8, 9 — адиабатические увлажнители приточного и вытяжного воздуха; 10 — нагреватель вытяжного воздуха; зоны 1–11 с параметрами t_i, d_i, j_i, i_i

Вывод аналитической зависимости для t_м4 в зоне 4 кондиционера

Адиабатическое увлажнение приточного воздуха в зоне 4 кондиционера осуществляют в холодный период года. Вывод аналитической зависимости для определения температуры приточного воздуха по мокрому термометру t_м4 перед адиабатическим увлажнителем построен на следующих основополагающих принципах:

1.  Удельные энтальпии приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем i₄ и после адиабатического увлажнителя i₅ равны между собой (i₄ = i₅).

2. Удельная энтальпия приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем i₄ равна удельной энтальпии насыщенного влагой приточного воздуха , определяемой по температуре мокрого термометра t_м4 и влагосодержанию насыщенного воздуха

3. На i—d-диаграмме удельные энтальпии i₄, i_н4^м и i₅ совмещены между собой, а координаты температуры приточного воздуха на выходе из адиабатического увлажнителя t₅ при влагосодержании d₅ и перед адиабатическим увлажнителем по сухому t₄ и мокрому t_м4 термометрам при влагосодержаниях d₄ и  лежат на одной изоэнтальпии.

4. Косвенное адиабатическое охлаждение приточного воздуха с температуры t₄ до температуры t₅ при адиабатическом увлажнении протекает на i-d-диаграмме по изоэнтальпии i₄.

5. При определении температуры приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем по мокрому термометру t_м4 следует учитывать конечную температуру приточного воздуха после адиабатического увлажнителя t₅ и влагосодержание приточного воздуха d₄ перед адиабатическим увлажнителем.

При выводе аналитической зависимости для определения температуры t_м4 использовались следующие формулы [3]:

удельная энтальпия приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем i₄ (зона 4 на рис. 1)

i₄ = C_pct₄ + (С_рпt₄ + r₀) d₄·10^–3;         (1)

удельная энтальпия насыщенного влагой приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем  (зона 4 на рис. 1)

i_H4^M= C_pct_м4 + (С_рпt_м4 + r₀) d_н4·10^–3;           (2)

величина косвенного адиабатического охлаждения приточного воздуха, обеспечиваемая при его адиабатическом увлажнении

Δt^ад_охл= (t₄ – t_м4) Е.                                                          (3)

Температура приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем (зона 4, рис. 1)

(4)

В формулах (1)÷(4) обозначено:

• C_pc— удельная изобарная массовая теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг·К), C_pc= 1,005;

• C_pп — удельная изобарная массовая теплоемкость водяного пара, кДж/(кг·К), C_pп = 1,805;

• r₀ — удельная массовая теплота парообразования при t = 0 °C, r₀ = 2501 кДж/кг;

• t₄, t_м4 — температура приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем соответственно по сухому (t₄) и мокрому (t_м4) термометрам, °С;

• d₄ — влагосодержание приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем при t₄, г/кг сух. возд.;

• d_н4 — влагосодержание насыщенного влагой приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем при t_м4, г/кг сух. возд.;

• Е — коэффициент эффективности адиабатического увлажнителя.

Из (4) имеем

(5)

Из (1) имеем

(6)

Производим в (6) замену  где К_м — число значений t_м4 в .

Получим

(7)

Приравнивая (5) и (7) и решая систему из двух уравнений относительно t_м4, получаем аналитическую зависимость для определения температуры приточного воздуха по мокрому термометру t_м4 перед адиабатическим увлажнителем 8:

(8)

Производим в (8) следующие замены:

(1 – Е) r₀ = (1 – 0,85) 2501 = 375,15

К_м (1 – Е) = К_м (1 – 0,85) = 0,15 К_м.

Окончательно получаем аналитическую зависимость для определения температуры t_м4, удобную для инженерных расчетов,

(9)

Температура приточного воздуха на выходе из адиабатического увлажнителя t₅ DEC-системы задается проектировщиком, а точность ее определения с применением полученной по (9) температуры t_м4 проверяется по алгоритму и формулам, приведенным в табл. 1.

Точность получения расчетных значений t₅ относительно заданного проектировщиком значения t₅ зависит от точности определения в (9) коэффициента K_M = i_H4^M /t_M4.

Таблица 1.

Алгоритм и расчетные формулы для определения параметров приточного воздуха t_м4, t₄,  и Dd ^5,4 в холодный период года при t₁ = 10÷(–30) °C, j₁ = 0,83; t₆ = 23 °C; j₆ = 0,5 и для получения приточного воздуха с t₅ = 19 °C и высокой относительной влажностью  j₅ > 0,75

Зона	Параметры	Формулы	Результаты расчета при t1, °C
			t1 = 10	t1 = 0	t1 = –1	t1 = –30
1	d1, г/кг сух. возд.

при Р_бар = 101 000 Па

6,343,142,890,194

6d₆, г/кг сух. возд.

при Р_бар = 101 000 Па

8,778,778,778,779d₉, г/кг сух. возд.d₉ = d₈ = d₇ = d₆8,778,778,778,772d₂, г/кг сух. возд. 7,435,675,544,054d₄, г/кг сух. возд.d₄ = d₃ = d₂7,435,675,544,054t_м4, °Спри t₅ = 19 °С17,2К_м = 2,8116,7К_м = 2,8116,6К_м = 2,8116,2К_м = 2,814d_н4, г/кг сух. возд.по справочным таблицам12,326411,934211,857211,55334, кДж/кг

 i_H4^M= C_pct_м4 ++ (С_рп t_м4 + r₀)d_н4 · 10^–3

48,547,046,745,54i₄, кДж/кгi₄= C_pct₄ ++ (С_рпt₄ + r₀)d₄ · 10^–3i₄ = i_H4^M48,547,046,745,54t₄, °С 29,432,332,435,04, °С 10,413,313,416,05t₅, °С

(Проверка)

19,019,019,019,05i₅, кДж/кг

i₅ = C_pct₅ + (С_рпt₅ + r₀)d₅ · 10-³

i₅ = i₄

48,547,046,745,55d₅, г/кг сух. возд. 11,611,010,8910,425,4Δd ^5,4, г/кг сух. возд.Δd ^5,4 = d₅ – d₄4,175,335,356,355Р_п5, Па

при Р_бар = 101 000 Па

1849,11755,11739,41664,15Р_н5, Па

По справочным таблицам2197,82197,82197,82197,85Δ_5Δ5= Р_п5/ Р_н50,840,80,790,76

Из табл. 1 следует, что для получения постоянного значения температуры приточного воздуха t₅ = 19 °C в холодный период года, при изменении температуры наружного воздуха в диапазоне t₁ = 10÷(–30) °C, при параметрах вытяжного воздуха t₆ = 23 °C, d₆ = 8,77 г/кг сух. возд. и совместном использовании адсорбционного колеса Hoval с эффективностью рекуперации влаги  Φ_R1^d= 0,45 [4] и адиабатического увлажнителя происходит следующее изменение значений параметров приточного воздуха перед адиабатическим увлажнителем:

• влагосодержание d₄ уменьшается с 7,43 до 4,05 г/кг сух. возд.;

• температура по мокрому термометру t_м4 уменьшается с 17,2 до 16,2 °С;

• удельная энтальпия i₄ = i_H4^M уменьшается с 48,5 до 45,5 кДж/кг;

• температура по сухому термометру t₄ увеличивается с 29,4 до 35,0 °С;

• величина косвенного адиабатического охлаждения Δt^ад_охл увеличивается с 10,4 до 16,0 °С;

• величина дефицита влаги перед адиабатическим увлажнителем Dd ^5,4 увеличивается c 4,17 до 6,35 г/кг сух. возд.;

• относительная влажность приточного воздуха j₅ уменьшается с 0,84 до 0,76.

Приведенный в табл. 1 алгоритм определения величины косвенного адиабатического охлаждения Δt^ад_охл приточного воздуха  при его адиабатическом увлажнении и совместном использовании адсорбционного колеса Hoval с применением аналитической зависимости (9) для определения температуры приточного воздуха по мокрому термометру t_м4 перед адиабатическим увлажнителем обеспечивает в диапазоне изменения температуры наружного воздуха t₁ = 10÷(–30) °C получение точного значения температуры приточного воздуха t₅ = 19 °C на выходе из адиабатического увлажнителя.

Вывод аналитической зависимости для t_м6 в зоне 6 кондиционера.

Адиабатическое увлажнение вытяжного воздуха в зоне 6 осуществляют только в теплый период года. Целью адиабатического увлажнения вытяжного воздуха является получение косвенного адиабатического охлаждения вытяжного воздуха на величину Δt^ад_охл, рекуперация холода вытяжного воздуха роторным теплообменником и передача полученного холода приточному воздуху.

При выводе аналитической зависимости для определения температуры вытяжного воздуха по мокрому термометру t_м6 в зоне 6 кондиционера использовались зависимости (10) и (11), которые составлены по аналогии с зависимостями (5) и (6) для приточного воздуха

(10)

(11)

Производим в (11) замену i₆ = i^M_H6 = K_мt_м6,  где K_м — число значений t_м6 в i^M_H6.

Получим

(12)

Приравнивая (10) и (12) и решая систему из двух уравнений относительно t_м6, получаем аналитическую зависимость для определения температуры приточного воздуха по мокрому термометру t_м6 перед адиабатическим увлажнителем 9:

(13)

Температура вытяжного воздуха t₇ на выходе из адиабатического увлажнителя 9 в (13) определяется по аналитической зависимости (14), которая получена путем решения системы двух уравнений (10) и (12) относительно t₇.

(14)

Алгоритм и расчетные формулы для определения параметров вытяжного воздуха t₇, t_м6,  и Dd ^7,6 в теплый период года в диапазоне изменения температуры наружного воздуха t₁ = 11÷35 °С и вытяжного воздуха в диапазоне t₆ = 23÷28 °С приведены в табл. 2

Таблица 2.

Алгоритм и расчетные формулы для определения параметров вытяжного воздуха t₇, t_м6, и Dd ^7,6 в теплый период года при t₁ = 11÷35 °С, j₁ = 0,4; t₆ = 23÷28 °С, j₆ = 0,5

Зона	Параметры	Формулы	Результаты расчета при t1, °С
			t1 = 11	t1 = 35
6	t6, °C	Задается проектировщиком при j6 = 0,5	23,0	28,0
6	d6, г/кг сух. возд.

Р_бар = 100 000 Па

8,8611,99

6i₆, кДж/кгi₆ = C_pct₆ + (С_рпt₆ + r₀)d₆ · 10^–345,658,77t₇, °C 17,2К_м = 2,8121,4К_м = 2,96t_м6, °C 16,2К_м = 2,8120,2К_м = 2,96  °C 5,86,67t₇, °C

Проверка

17,221,47i₇, кДж/кг

i₇ = C_pct₇ + (С_рпt₇ + r₀)d₇ · 10^–3

i₇ = i₆

45,658,77d₇, г/кг сух. возд.Р_бар = 100 000 Па11,114,647,6Δd ^7,6,г/кг сух. возд.Δd ^7,6 = d₇ – d₆2,242,65

Заключение

1. Полученные авторами аналитические зависимости (9), (13), (14) для определения температур по мокрому термометру приточного t_м4 и вытяжного t_м6 воздуха перед адиабатическим увлажнителем и температуры вытяжного воздуха t₇ на выходе из адиабатического увлажнителя вносят вклад в теорию косвенного адиабатического охлаждения воздуха, образуемого при его адиабатическом увлажнении, и обеспечивают получение точных значений величины.

2. Адсорбционное колесо Hoval рекуперирует влагу вытяжного воздуха и передает ее приточному воздуху, увеличивая величину влагосодержания приточного воздуха d₄ в холодный период года и уменьшая дефицит влаги

Dd ^5,4 перед адиабатическим увлажнителем 8, что удешевляет процесс адиабатического увлажнения приточного воздуха за счет уменьшения производительности увлажнителя, обеспечивающего снижение эксплуатационных расходов на деминерализацию воды в установке обратного осмоса и ее подачу в распылительные форсунки.

Литература

1. Шилкин Н. В. Климатический центр Klimahaus в Бременхафене. ЭСКО Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы», № 5, май 2012 г.

2. TERMOCOMengineering, CAREL Rus. Возможности адиабатического увлажнения // Энергосбережение. 2015. № 6. С. 26–28.

3. Воскресенский В. Е. Системы пневмотранспорта, пылеулавливания и вентиляции на деревообрабатывающих предприятиях. Теория и практика: в 2 т. Т. 2, ч. 2: Системы вентиляции: учебное пособие. СПб.: АВОК «Северо-Запад», 2012. 704 с.: ил.

4. Справочник по проектированию, монтажу и эксплуатации. Ротационные теплообменники для рекуперации тепловой энергии в вентиляционных установках. Hoval, 27 с. hoval-rekuperaciyatepla.ru/zoolu-website/media/document/4640/

Скачать статью в pdf-формате: Адиабатическое увлажнение воздуха в кондиционерах с DEC-системой. Расчет величины косвенного охлаждения