Введение к работе
Актуальность проблемы. Для промышлённо развитых стран характерно широкое осуществление во всех отраслях промышленности и сфере быта целенаправленной энергосберегающей политики, основанной на широком использовании нетрадиционных возобновляемых*видов энергии и обусловленной увеличением энергопотребления и необходимостью поддержания экологической чистоты окружающей среды. ',
В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха (СКВ) как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50% всех затрат на эксплуатацию СКВ.
Настоящая работа посвящена исследованиям пластинчатых тепломассообменных аппаратов с пористой насадкой, позволяющих повысить эффективность реализации целого ряда процессов тепловлажностной обработки воздуха в СКВ: утилизации теплоты и холода воздуха, удаляемого из помещений; эффективного осуществления энергоемкого процесса осушки воздуха; обработки воздуха методом прямого, косвенного и регенеративного испарительного охлаждения.
Перспективность применения данных аппаратов обусловлена возможностями снижения энергопотребления за счет комбинирования различных схем движения обменивающихся потоков, рационального использования теплоты фазового перехода и возобновляемого энергоресурса термодинамической неравновесности атмосферного воздуха . Однако реализация потенциально заложенной эффективности процессов тепломассопереноса и оптимальных режимов данных аппаратов требует детальных теоретических и экспериментальных исследований. В этом контексте разработка надежных математических моделей и ..методов оптимизации процессов тепломассопереноса в пластинчатых теплообменных аппаратах с пористой насадкой является актуальной задачей развития вентиляционной техники.
Решение данной проблемы невозможно-без рассмотрения ряда недостаточно изученных вопросов, связанных с неоднозначным теоретическим подходом к оценке движущих сил тепломассопереноса в каналах пористых насадоктеплообменных аппаратов СКВ; отсутствием необходимых количественных характеристик гигродинамического взаимодействия влажного воздуха с материалом гигроскопических насадок и надежных методов их определения; установлением зон активного тепломассообмена, в пределах
I . ' .
j - . .
которых осуществляется формирование качественно отличных профилей потенциалов тепло- и массопереноса; выявлением условий эффективной реализации тепломассопереноса в рассматриваемых насадках при фазовых переходах; отсутствием надежных методик оптимизации тепломассопереноса в теплообменных аппаратах СКВ, основанных на формализации муль-тикрнтериальных компромиссных задач.
Решение этих вопросов позволяет осуществить научно-
обосноеолную качественную и количественную оценку эффективности ра
боты теплообменных аппаратов с пористой насадкой КБ и их соответ
ствия прогнозируемым і/елям еще на стадии разработки проектной и тех
нической документации. '
Работа выполнялась на кафедре «Теплогазоснабжение и охрана воздушного бассейна» СПбГАСУ в рамках Межведомственной научно-технической целевой программы «Архитектура и строительство»; по направлению 3.03. «Развитие теоретических основ повышения энергосбережения, надежности и эффективности систем выработки, транспортировки и потребления теплоты» раздела «Проблемы создания,, развития и эксплуатации систем жизнеобеспечения городов и других' населенных пунктов» кон -курса грантов Российской Федерации; по федеральной научно-технической программе «Усовершенствовать существующие и внедрить новые технологии производства, хранения и переработки грубых и сочных кормов ...'».
Цель и задачи исследования. Целью работы является создание научных основ разработки и исследования эффективных тетомассообмен-ных аппаратов с пористой насадкой СКВ с использованием численных методов, основанных на адекватных физико-математических моделях явлений и экспериментально полученных эмпирических связях.
Для достижения поставленной цели решался комплекс взаимосвязанных задач, основными из которых являются:
выявление закономерностей развития процессов тепломассопереноса в аппаратах СКВ в условиях фазовых переходов;-
установление определяющих факторов, влияющих на эффективность
процессов тепломассообмена в каналах насадки; *
разработка физико-математических моделей процессов тепломассопереноса в теплообменниках СКВ, учитывающих их направленность и неравновесность при фазовых превращениях;
разработка методики режимной оптимизации процессов тепломассо
переноса в аппаратах СКВ; '
разработка новых теплообменных устройств с пористой, насадкой СКВ, позволяющих эффективно осуществить утилизацию теплоты вытяжного воздуха, адсорбционное осушение воздуха; обработку воздуха методом прямого, косвенного и регенеративного испарительного охлаждения;
4 , ' . '
разработка и реализация инженерных методов' расчета режимов работы теплообменных аппаратов, их экспериментальной и алгоритмической поддержки, ориентированной на использование современных ЭВМ.
Общая методика исследования, базирующаяся на достижениях современной науки в области тепломассообмена, включала: физико-математическое моделирование на основе теории потенциала влажности, проведение численных и физических экспериментов с использованием методов математического планирования и статистического анализа, оптимизационные расчеты эффективности процессов тепломассообмена на основе метода стохастической квалиметрин; сопоставление полученных результатов с характеристиками известных аналогов. Экспериментальная проверка выполнялась на специальных стендах с применением стандартных измерительных приборов. Для расчетов использовалась ЭВМ ІБМPC.
Научная новизна работы заключается.в следующих результатах исследований теплообменников с пористой насадкой:
разработаны физико-математические модели процессов тепломассо-переносав условиях фазовых переходов (испарения, конденсации, сорбции);
разработана и обоснована методика оптимизации процессов тепло-массопереноса в теплообменниках СКВ, основанная на формализации мультикрнгериальной компро.мисснон задачи методом стохастической квалиметрин;
получены экспериментальные и теоретические зависимости, харак
теризующие влияние режимных и конструктивных факторов на эффектив
ность процессов тепломассопереноса в аппаратах СКВ, осуществляющих
утилизацию теплоты и холода воздуха, удаляемого из помещений; адсорб
ционное осушение воздуха; обработку воздуха методом прямого, косвенно
го и регенеративного испарительного охлаждения;
теоретически установлено и экспериментштьно подтверждено, что в каналах насадки регенеративных' осушителей воздуха реализуется режим «комбинированной волны»;
установлены характерные зоны активного тепломассообмена е каналах насадки теплоутнлизаторов и аппаратов косвенно-испарительного типа, анализ закономерностей которых позволяет судить о возможности нарушения условий выполнения соотношения Льюиса;
разработан метод определения коэффициента мае.сообмена между влажным воздухом и гигроскопическим материалом, основанный на аппроксимации экспериментальных данных естественным сглаживающим сплайном;
установлены зависимости ряда термодинамических констант (изо
термической массоемкосги материала насадки и коэффициента массообме-
на; термоградиентного и температурного коэффициентов химических по
тенциалов влажного воздуха; дифференциальной теплоты адсорбции и
др.), на основании которых получены аналитические и численные решения уравнения динамики адсорбции, позволяющие прогнозировать характер взаимодействия влажного воздуха с материалом пористой насадки п выявить оптимальный состав ее гигроскопической пропитки;
найдены параметры и условия оптимальной реализации процессов тепломассопереноса в теплообменных аппаратах с пористой насадкой СКВ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением современных методов исследований, основанных на адекватных физико-математических моделях, с привлечением соответствующих разделов теории тепломассообмена и математики (теории уравнений математической физики, теории приближения и численного анализа, основ многомерной оптимизации), апробированных методов обработки экспериментальных данных, а также путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Все предположения и упрощения специально оговариваются в работе п обосновываются.
Практическое значение и реализация результатов работы. Совокупность проводимых автором в течение ряда лет экспериментальных и теоретических исследований теплообменных аппаратов с пористой насадкой связаны с созданием энергосберегающих устройств для систем кондиционирования воздуха Разработанные методики расчета и оптимизации процессов тепломассообмена, включающие алгоритмы н созданные библиотеки программ для ЭВМ, позволяют осуществить научно-обоснованную оценку эффективности работы теплообменных аппаратов с пористой насадкой СКВ и установить области их рационапьного применения еще на стадии проектно конструкторской разработки опытных и промышленных образцов.
Внедрение результатов работы (теплообменные аппараты по авторским
свидетельствам № 964426, 1458654, 1725029, 1758347, 1765628, метод опре
деления коэффициента массообмена между влажным воздухом и гигроско
пическим материалом, инженерные методики расчета и оптимизации процес
сов тепломассопереноса в пластинчатых теплообменниках с пористой насад
кой, алгоритмическое и программное обеспечение) на'разных этапах ее вы
полнения осуществлено в ОАО «Оренбургэнерго» РАО «ЕЭС России», на
государственном предприятии «Тепличный» (г. Пенза), в ПО «Ленбуммаш»,
в ПО «Вологодский оптико-механическнй завод», СЗНПО «Белогорка» (Ле
нинградская обл.), в ОКПТБ (г. Пушкин), НИПТИМЭСХ НЗ РФ (г. Пушкин),
АОЗТ «Фартекспроект» (Санкт-Петербург) и ряде других организаций, что
подтверждено соответствующими документами (справки, акты), которые
приведены в приложениях к диссертации. ,
Результаты исследований использованы при написании двух канди
датских диссертаций, по одной из которых автор был официальным науч
ным консультантом. .
Материалы диссертационной работы использованы кафедрой тепло-газоснабжения н охраньґ воздушного бассейна в курсах лекций, лабораторных циклах, курсовом и дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 290700 «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна»
На защиту выносятся:
комплекс физико-математических моделей процессов тепломассопе-
реносав аппаратах с пористой насадкой СКВ, протекающих в условиях фа
зовых превращений (испарения, конденсации, сорбции);
метод определения коэффициента массообмена между влажным воздухом и гигроскопическим материалом;
аналитические зависимости для дифференциальной теплоты адсорбции, изотермической массоемкости, термоградиентного и температурного коэффициентов химических потенци&Юв влажного воздуха;
аналитические и численные решения уравнений динамики адсорбции
при взаимодействии влажного воздуха с материалом насадки;
экспериментальные и теоретические зависимости, характеризующие
влияние режимных и конструктивных факторов на эффективность процес
сов тепломассопереноса в гигроскопических насадках теплообменных уст
ройств СКВ;
методика оптимизации процессов тепломассопереноса в аппаратах
СКВ, основанная на методе стохастической квалиметрии;
защищенный авторскими свидетельствами модифицированный ряд конструкций теплообменников СКВ, позволяющих эффективно реализовать утилизацию теплоты вытяжного воздуха, осушение воздуха; обработку воздуха методом косвенного и регенеративного испарительного охлаждения;
инженерные методы расчета режимов работы теплообменных аппа
ратах с пористой насадкой СКВ, ориентированные на использование совре
менных ЭВМ. ' _ .
Личный вклад соискателя. Обоснование и постановка проблемы, формирование научной идеи и'конкретизация задач исследований, а также методологического подхода к их реализации, участие в разработке и создании базы-экспериментальных исследований, теоретические и экспериментальные обоснования, анализ и формулировка результирующих научных положений осуществлены лично автором.
По отдельным вопросам оптимизации научным консультантом работы являлся к.т.н., доц. Болотин С.А., которому автор выражает глубокую признательность. Конкретные задачи экспериментальных исследований решались при участии аспирантов Ермошкина А.А., Алешечкнной Т.В., которые успешно защитили кандидатские диссертации.
Апробация работы. Техническая апробация результатов научных исследований осуществлялась в процессе их использования при проектировании, разработке и усовершенствовании ряда теплообменных аппаратов СКВ.
Материалы работы представлялись и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях СПбГАСУ (ЛИСИ),-1979+1998 гг.; региональной конференции "Гармонизация целостности и комфортности городской среды", Ташкент, 1982; зональном семинаре "Реконструкция вентиляции, аспирации и пневмотранспорта промышленных цехов с целью повышения эффективности охраны окружающей среды", Пенза, 1989; XXVIII научно-технической конференции Пензенского ГАСИ, 1995; ежегодных международных научно-технических конференция молодых ученых, С.-Петербург, 1996+1998 гг.; на VII. международной конференции «Indoor Air Quality and Climate: Indoor Air '96», Nagoya (Japan), July 21-26, 1996; между нар одной юбилейной научно-технической конференции, "Достижения в теории и практике теплогазоснабжения; вентиляции, кондиционирования воздуха и охраны воздушного бассейна", С.-Петербург, 1997; V международной конференции «Healthy Buildings Global Issues and Regional Solutions: Healthy Buildings/IAQ '97», Washington DC (USA), September 27- October 2, 1997; VI съезде Ассоциации инженеров по Отоплению, Вентиляции, Кондиционированию воздуха и строительной теплофизике (АВОК), С.-Петербург, 1998; ежегодных научных чтениях МАНЭБ «Белые ночи», С.-Петербург, 1998; международной конференции «Проблемы рационального потребления воздуха «Воздух' 98», С.-Петербург, 1998.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы: 41 печатная работа, в том числе 5 авторских свидетельств.
Объем и структура работы. Диссертация включает введение, шесть глав основного текста с изложением полученных результатов, заключение, список литературы из 415 наименований и 12 приложений в общем объеме 385 страниц, включая 112 рисунков, 39 таблиц.
