Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор существующих конструкций теплообменников для утилизации теплоты вентиляционных выбросов 14
1.1. Использование рекуперативных теплообменников 14
1.2. Использование вращающихся (роторных) теплообменников 18
1.3. Использование рекуператоров на тепловых трубках 22
1.4. Использование систем с промежуточным теплоносителем 24
1.5. Постановка задачи исследования 26
Выводы по главе 1 29
ГЛАВА II. Теоретические и экспериментальные исследования нестацио нарного тепло- и влагообмена в зернистых средах 31
2.1. Нестационарные тепловые процессы в зернистом слое 31
2.1.1. Обзор определения коэффициентов теплообмена зернистого слоя 38
2.2. Экспериментальные исследования нестационарного процесса влагообме на в зернистых средах 46
Выводы по главе II 49
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования реверсивного тепло- и влагообмена в зернистых средах 51
3.1. Исследование реверсивного теплообмена в зернистой среде 51
3.1.1. Исследование регенерации теплоты в твердой теплоаккумулирующей насадке 51
3.1.2. Исследование регенерации теплоты в теплоаккумулирующей насадке с фазовым переходом "вода-лед" 61
3.2. Исследование реверсивного процесса влагообмена в адсорбенте 76
3.3. Исследование реверсивного тепло-и влагообмена в зернистой среде и адсорбенте 89
3.3.1. Исследование процесса регенерации теплоты и влаги на лабораторной установке 90
3.3.2. Исследование процесса регенерации теплоты и влаги на опытно-промышленном образце регенератора 98
3.4. Прототип промышленного регенератора для утилизации теплоты и влаги в системе вентиляции 104
Выводы по главе III 105
ГЛАВА IV. Математическая модель реверсивного теплообмена в зернистой среде 108
Выводы по главе IV 111
Заключение 112
Список использованных источников 114
Приложение 125
- Использование вращающихся (роторных) теплообменников
- Экспериментальные исследования нестационарного процесса влагообме на в зернистых средах
- Исследование регенерации теплоты в теплоаккумулирующей насадке с фазовым переходом "вода-лед"
- Исследование процесса регенерации теплоты и влаги на опытно-промышленном образце регенератора
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время проблема энергосбережения в России приобретает первостепенное значение. Это связано с увеличением роста цен на энергоносители, стоимость которых приближается к среднемировому уровню цен. В условиях холодного климата западной Сибири проблема энергосбережения является весьма актуальной.
Значительная часть территории России и практически вся Сибирь находится в зоне холодного климата, что требует значительных затрат на отопление жилых и производственных помещений. Одна часть этих затрат связана с тепловыми потерями через наружные ограждения (стены и окна), а другая обусловлена расходом энергии на нагрев наружного воздуха в системе вентиляции.
Значительное снижение тепловых потерь через наружные ограждения обеспечивается использованием новых конструкций современных жилых, офисных и др. зданий, новых технологий энергосбережения (герметичные окна, теплоизоляционные стены и т.д.). Так Правительством России была принята программа в области энергосбережения [1]. Теперь нормативные значения термических сопротивлений наружных ограждений жилых и производственных помещений увеличены, в то время как нормативные значения на количество воздуха, необходимого для вентиляции остались прежними.
Введение новых нормативных значений термических сопротивлений привело к резкому увеличению в общем энергобалансе доли теплоты, необходимой для подогрева воздуха, поступающего в помещение. Если при прежних нормах эта доля составляла около 30% [2-4], то при новых - более 50%. Таким образом, возникла ситуация, когда половина всей тепловой энергии, поступающей для отопления жилых помещений, удаляется с отработанным вентиляционным воздухом. В производственных помещениях с усиленной вентиляцией ситуация еще хуже. Все это делает крайне
7 актуальной задачу существенного снижения энергозатрат на нагрев приточного воздуха в системе принудительной вентиляции.
Одним из наиболее перспективных решений проблемы с точки зрения энергосбережения является использование технологии утилизации теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного. Эту теплоту можно разделить на явную (физическую) Qs и скрытую Qi. Типичное изменение физической теплоты 1 м3 воздуха при разнице температур АТ= 10К составляет Os = ср AT = 12 кДж. Скрытая теплота зависит от влагосодержания d, и при d = 1 г/м3 составляет Qi примерно 2.2 кДж. Некоторые теплообменники, например, роторные теплообменники, осуществляют перенос как явной, так и скрытой теплоты, сосредоточенной в парах воды, переносимой между вытяжным и приточным воздухом.
Для утилизации теплоты воздушных потоков могут применяться ., различные конструкции теплообменников. При выборе теплообменника для утилизации тепла вентиляционных выбросов необходимо принимать во внимание особенности их эксплуатации. Основным назначением вентиляционной системы является обеспечение необходимого количества свежего воздуха, удаление из помещения вредных веществ или бактерий, ' влаги и пыли. Снижение их концентрации до требуемых норм обеспечивается определённым воздухообменом, который регламентируется СНиП 41-01-2003.
Основной эффект от утилизации теплоты реализуется при работе теплообменника в отопительный период, когда температура окружающей среды имеет минимальное значение. Эффект растет с увеличением разницы температур в помещении и на улице. Эти особенности условий эксплуатации предъявляют специальные требования к конструкции теплообменника для утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Конструкция теплообменника должна обеспечивать эффективную передачу теплоты от вытяжного потока к приточному, сводить к минимуму перетекание вытяжного воздуха в приточную систему, обеспечивать вывод из
8 теплообменника влаги, сконденсированной из потока удаляемого воздуха, быть удобной для разборки и очистки теплообменной поверхности от загрязнений и пыли. И самое главное требование для холодного климата России заключается в том, что теплообменники должны обладать высокой надежностью в условиях отрицательных температур наружного воздуха, когда существует опасность обмерзания теплообменника и выхода его из строя.
Полностью адаптированные к эксплуатации в таких жестких климатических условиях конструкции теплоутилизаторов практически отсутствуют. Из-за такого недостатка, а также высокой стоимости массовое применение теплоутилизаторы в условиях холодного климата не получили. Для решения поставленных задач: регенерации теплоты, предотвращения обледенения и поддержания комфортной влажности необходимо предложить новый конструктивный облик тепло-массообменного устройства, создать установки для лабораторных и натурных экспериментов и провести исследования тепло- и влагообменных процессов.
Цель и задачи диссертации. Целью настоящей диссертации является экспериментальное исследование тепло- и влагопереноса при реверсивных процессах в регенеративном тепло- массообменном аппарате. Для достижения поставленной цели необходимо решить круг следующих основных задач: определить конструктивный облик энергосберегающего тепло-массообменного устройства для утилизации теплоты и влаги в системе вентиляции бытовых и офисных помещений при работе в области низких отрицательных температур, которое не должно уступать по своей эффективности теплоутилизации существующим конструкциям и должно устранять известные недостатки (обледенение теплообменных поверхностей, поддержание комфортной влажности); подобрать и модифицировать математическую модель для описания процессов теплообмена, протекающих в реверсивных режимах; провести экспериментальные исследования нестационарного процесса тепло- и влагообмена как на лабораторных
9 установках, так и на опытно-промышленном образце в натурных условиях; на основе исследований установить влияние основных параметров (теплофизических, конструкционных и др.) на тепло- и влагообменные процессы, протекающие в энергосберегающем реверсивном устройстве.
Направления исследований. В рамках данной работы исследования
проводили по трем основным направлениям: а) экспериментальное
исследование нестационарного процесса распространения тепловых волн в
неподвижном слое теплоаккумулирующей среды; б) экспериментальное
исследование нестационарного процесса распространения и взаимодействия
тепловых и концентрационных волн в неподвижном слое адсорбента воды; в)
экспериментальное исследование нестационарного процесса
распространения и взаимодействия тепловых и концентрационных волн в неподвижном слое адсорбента и теплоаккумулирующей среды при реверсивном переключении потока влажного воздуха.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Впервые предложено в регенеративных устройствах для систем
вентиляции использовать раздельные слои адсорбента и
теплоаккумулирующей среды, что позволяет существенно улучшить условия
работы этих аппаратов и избежать обледенения теплообменных
поверхностей.
Впервые экспериментально изучены процессы тепло- и влагообмена в слоях адсорбента и теплоаккумулирующей среды в циклических режимах движения влажного воздуха. Получены значения коэффициентов, характеризующих возврат влаги и теплоты.
Установлены времена между моментами переключения направления движения воздуха в зависимости от относительного изменения температур, расхода воздуха, количества, свойств адсорбента и теплоаккумулирующей среды. Получены обобщающие зависимости для расчета времени между переключениями направления движения воздуха.
4. Впервые численными методами исследованы реверсивные режимы фильтрации воздуха через неподвижный слой теплоаккумулирующей среды. Расчетная модель учитывает, что внешнее термическое сопротивление на границе зерна является основным. Результаты расчета удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
Научная и практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при расчете любых тепло-массобменных устройств, работающих в реверсивных режимах. Модифицированная математическая модель позволяет моделировать реверсивный процесс теплообмена. Результаты расчета по этой модели были использованы при создании опытно-промышленного образца регенеративного теплообменника (Вентирег) для утилизации теплоты и влаги в системе вентиляции. Результаты, полученные в ходе проведения исследований нестационарного процесса распространения и взаимодействия тепловых и концентрационных волн в неподвижном слое адсорбента и теплоаккумулирующей среды при циклическом переключении потока влажного воздуха, показали возможность создания эффективного энергосберегающего регенеративного устройства.
Спроектированный и изготовленный опытно-промышленный образец (демонстрационная зона СО РАН) может быть использован в качестве прототипа при проектировании промышленного оборудования.
Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается хорошим соответствием результатов, полученных на различных установках в сопоставимых режимах работы, качественным и количественным совпадением результатов численного моделирования и опытных данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждались на 5th International Conference on Sustainable Energy Technologies (Italy, 2006), 11th Workshop on Transport Phenomena in Two-phase Flow (Bulgaria, 2006), Всероссийской конференции по топливным элементам (Екатеринбург, 2006), научно-технической конференции НГАСУ (Новосибирск, 2006), XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре
(Новосибирск, 2004; 2005), Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 2002; 2004), Российской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2000; 2002).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах. Из них 1 научная статья в рецензируемом журнале, входящем в перечень, рекомендованный ВАК; 3 научные статьи в рецензируемых журналах; 7 публикаций в материалах всероссийских и международных конференций; 2 патента.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в проектировании, изготовлении и наладке экспериментальных установок, разработке методик проведения экспериментов, обработке и анализе полученных результатов, написании статей и представлении докладов. „ Автором лично выполнены экспериментальные исследования: нестационарного теплообмена на различных засыпках, влагообмена в слоях адсорбента и совмещенного тепло- и влагообмена, проведены обработка и анализ полученных экспериментальных данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, ж четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 127 страниц, включая 53 рисунка, 15 таблиц. Список используемых источников включает 120 наименований.
Содержание работы. Первая глава содержит краткий обзор существующих конструкций теплообменников для утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Полностью адаптированные к эксплуатации в условиях Сибири и северных районов России (когда существует опасность обмерзания теплообменника и выхода его из строя) конструкции теплоутилизаторов практически отсутствуют. Решение данной проблемы может быть достигнуто за счет разработки новой конструкции аппарата, которая не должна уступать по своей эффективности теплоутилизации
12 существующим конструкциям и должна устранять известные недостатки (предотвращение обледенения, поддержание комфортной влажности). В качестве такого аппарата предлагается использовать принципиально новое регенеративное тепло-массообменное устройство, в котором перед теплоаккумулирующей насадкой, выполняющей функцию регенерации теплоты, размещают слой адсорбента, который решает задачу регулирования влажности воздушных потоков. Отличительной особенностью такого аппарата будет являться наличие адсорбента, который используется как буфер влаги. Во второй главе представлены теоретические и экспериментальные исследования нестационарного теплообмена и влагообмена в зернистых средах. Показано, что исследование реверсивных процессов режимов в комбинированной насадке, состоящей из последовательно расположенного теплоаккумулирующего слоя и слоя адсорбента, поглощающего влагу, ранее не проводились. Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям нестационарного теплообмена и влагообмена в зернистых средах, проведенного в трех направлениях: а) исследование реверсивного теплообмена в зернистой среде; б) исследование реверсивного процесса влагообмена в адсорбенте; в) исследование реверсивного тепло- и влагообмена в зернистой среде и адсорбенте. В четвертой главе описана математическая модель реверсивного теплообмена в зернистой среде. При математическом моделировании нестационарного теплообмена использована двухфазная модель потока Шумана (Schuman, 1929) с лимитирующим влиянием внешнего термического сопротивления. Удовлетворительное согласование экспериментальных данных с расчетными наблюдается при больших числах Рейнольдса, в то время как при малых сказывается влияние тепловых потерь, в результате чего экспериментальное время переключения оказывается меньше расчетного.
13 Автор благодарит сотрудников лаборатории энергоаккумулирующих процессов и материалов Института катализа СО РАН в оказании помощи при проведении данного исследования. Особенно хочется поблагодарить Аристова Ю. И. за идейное вдохновение и неоценимую помощь в процессе всей работы. Берниковскую Н. В. за оказанное содействие в проведении численного моделирования. Сибгатулина А. 3. за помощь в проектировании и изготовлении экспериментальных установок.
Использование вращающихся (роторных) теплообменников
Научная и практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при расчете любых тепло-массобменных устройств, работающих в реверсивных режимах. Модифицированная математическая модель позволяет моделировать реверсивный процесс теплообмена. Результаты расчета по этой модели были использованы при создании опытно-промышленного образца регенеративного теплообменника (Вентирег) для утилизации теплоты и влаги в системе вентиляции. Результаты, полученные в ходе проведения исследований нестационарного процесса распространения и взаимодействия тепловых и концентрационных волн в неподвижном слое адсорбента и теплоаккумулирующей среды при циклическом переключении потока влажного воздуха, показали возможность создания эффективного энергосберегающего регенеративного устройства.
Спроектированный и изготовленный опытно-промышленный образец (демонстрационная зона СО РАН) может быть использован в качестве прототипа при проектировании промышленного оборудования.
Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается хорошим соответствием результатов, полученных на различных установках в сопоставимых режимах работы, качественным и количественным совпадением результатов численного моделирования и опытных данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждались на 5th International Conference on Sustainable Energy Technologies (Italy, 2006), 11th Workshop on Transport Phenomena in Two-phase Flow (Bulgaria, 2006), Всероссийской конференции по топливным элементам (Екатеринбург, 2006), научно-технической конференции НГАСУ (Новосибирск, 2006), XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2004; 2005), Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 2002; 2004), Российской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2000; 2002).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах. Из них 1 научная статья в рецензируемом журнале, входящем в перечень, рекомендованный ВАК; 3 научные статьи в рецензируемых журналах; 7 публикаций в материалах всероссийских и международных конференций; 2 патента.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в проектировании, изготовлении и наладке экспериментальных установок, разработке методик проведения экспериментов, обработке и анализе полученных результатов, написании статей и представлении докладов. „ Автором лично выполнены экспериментальные исследования: нестационарного теплообмена на различных засыпках, влагообмена в слоях адсорбента и совмещенного тепло- и влагообмена, проведены обработка и анализ полученных экспериментальных данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, ж четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 127 страниц, включая 53 рисунка, 15 таблиц. Список используемых источников включает 120 наименований.
Содержание работы. Первая глава содержит краткий обзор существующих конструкций теплообменников для утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Полностью адаптированные к эксплуатации в условиях Сибири и северных районов России (когда существует опасность обмерзания теплообменника и выхода его из строя) конструкции теплоутилизаторов практически отсутствуют. Решение данной проблемы может быть достигнуто за счет разработки новой конструкции аппарата, которая не должна уступать по своей эффективности теплоутилизации существующим конструкциям и должна устранять известные недостатки (предотвращение обледенения, поддержание комфортной влажности). В качестве такого аппарата предлагается использовать принципиально новое регенеративное тепло-массообменное устройство, в котором перед теплоаккумулирующей насадкой, выполняющей функцию регенерации теплоты, размещают слой адсорбента, который решает задачу регулирования влажности воздушных потоков. Отличительной особенностью такого аппарата будет являться наличие адсорбента, который используется как буфер влаги. Во второй главе представлены теоретические и экспериментальные исследования нестационарного теплообмена и влагообмена в зернистых средах. Показано, что исследование реверсивных процессов режимов в комбинированной насадке, состоящей из последовательно расположенного теплоаккумулирующего слоя и слоя адсорбента, поглощающего влагу, ранее не проводились. Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям нестационарного теплообмена и влагообмена в зернистых средах, проведенного в трех направлениях: а) исследование реверсивного теплообмена в зернистой среде; б) исследование реверсивного процесса влагообмена в адсорбенте; в) исследование реверсивного тепло- и влагообмена в зернистой среде и адсорбенте. В четвертой главе описана математическая модель реверсивного теплообмена в зернистой среде. При математическом моделировании нестационарного теплообмена использована двухфазная модель потока Шумана (Schuman, 1929) с лимитирующим влиянием внешнего термического сопротивления. Удовлетворительное согласование экспериментальных данных с расчетными наблюдается при больших числах Рейнольдса, в то время как при малых сказывается влияние тепловых потерь, в результате чего экспериментальное время переключения оказывается меньше расчетного. Автор благодарит сотрудников лаборатории энергоаккумулирующих процессов и материалов Института катализа СО РАН в оказании помощи при проведении данного исследования. Особенно хочется поблагодарить Аристова Ю. И. за идейное вдохновение и неоценимую помощь в процессе всей работы. Берниковскую Н. В. за оказанное содействие в проведении численного моделирования. Сибгатулина А. 3. за помощь в проектировании и изготовлении экспериментальных установок.
Экспериментальные исследования нестационарного процесса влагообме на в зернистых средах
Система с промежуточным теплоносителем достаточно интересна, но менее эффективна [13-14, 18-19]. Такая система состоит из двух рекуперативных теплообменников типа «вода-воздух». Типовая схема системы с промежуточным теплоносителем представлена на рис. 1.9. Один теплообменник установлен на пути удаляемого воздуха и производит отбор теплоты и его охлаждение, другой установлен в приточном воздуховоде, который нагревает поступающий воздух. Теплообменник, расположенный в потоке удаляемого воздуха, оснащен каплеуловителем. В поддоне каплеуловителя установлен переливной патрубок, выходящий наружу кожуха секции. Теплообменники могут быть закреплены в одном корпусе или каждый теплообменник устанавливается в отдельной секции. Теплообменники объединены между собой гидравлическим контуром. С помощью насоса в контуре циркулирует теплоноситель - водный раствор этиленгликоля (чаще всего представляет собой 40%-ный раствор этиленгликоля в дистиллированной воде).
Эффективность гликолевой утилизации доходит до 35%. Такой способ утилизации хорош тем, что он полностью исключает размораживание теплообменника, поскольку в качестве теплоносителя применяется смесь этилен гликоля.
Сравнение системы с промежуточным теплоносителем с другими типами теплообменников представлено в табл. 1.1. 1. В качестве промежуточного теплоносителя используется незамерзающая жидкость, что очень важно в условиях сибирского климата. 2. Немаловажным является тот факт, что нет необходимости в реконструкции существующих систем вентиляции и кондиционирования воздуха. 3. Возможность использования в случае больших расстояний между приточным и вытяжным воздуховодами. 4. Присутствует полная изоляция воздушных потоков, поэтому перетекание загрязненного воздуха из вытяжки в приток полностью исключено. Поэтому такую схему можно использовать в системах кондиционирования помещений с высокими требованиями к чистоте воздуха. Основные недостатка: 1. Дополнительный расход электроэнергии на привод циркуляционного насоса и вентилятора при определенных обстоятельствах делают достигаемую рекуперацию теплоты экономически нецелесообразной. 2. Отсутствует влагообмен между притоком и вытяжкой. 3. Необходимость эксплуатационного технического обслуживания в значительных объемах (трубы, клапаны, насосы и т.д.). 4. Высокая стоимость из-за появления дополнительных элементов (трубы, клапаны, насосы и т.д.). Основным назначением вентиляционной системы является обеспечение необходимого количества свежего воздуха и удаление из помещения вредных веществ. В системе вентиляции основные затраты связаны с расходом теплоты на нагрев приточного воздуха. Для снижения энергозатрат можно использовать энергосберегающую технологию, которая заключается в утилизации теплоты вытяжного воздуха, выходящего из помещения, для подогрева холодного воздуха, поступающего в помещение. Для этого могут быть использованы пластинчатые и роторные теплообменники, теплообменники на основе тепловых труб и утилизаторы, использующие промежуточный теплоноситель.
Но, несмотря на существующие конструкции различных теплообменников, которые предназначены для утилизации теплоты удаляемых воздушных потоков в системе вентиляции, необходимо учитывать особенности их эксплуатации. От режима эксплуатации зависит правильная работа теплоутилизатора, а именно эффективность передачи теплоты от вытяжного потока к приточному, минимальное перетекание вытяжного воздуха в приточную систему, обеспечение вывода из теплообменника влаги (сконденсированной из потока удаляемого воздуха), простота разборки и очистки теплообменной поверхности от загрязнений и пыли.
Проведенный анализ существующих устройств для утилизации теплоты вытяжного воздуха показал, что практически отсутствуют конструкции теплоутилизаторов полностью адаптированных к эксплуатации в условиях Сибири и северных районов России, когда существует опасность обмерзания теплообменника и выхода его из строя.
Решение данной проблемы обледенения теплообменных поверхностей и поддержания комфортной влажности в помещении (для хорошего самочувствия человека) [24], может быть достигнуто за счет разработки нового аппарата, который бы устранил недостатки предыдущих конструкций и не уступал бы им по своей эффективности. В качестве такого аппарата предлагается использовать принципиально новое регенеративное тепло-массообменное устройство, в котором перед теплоаккумулирующей насадкой, выполняющей функцию регенерации теплоты, размещают слой адсорбента, который решает задачу регулирования влажности воздушных потоков.
Исследование регенерации теплоты в теплоаккумулирующей насадке с фазовым переходом "вода-лед"
Известно много практических приложений, где адсорбенты используют для удаления воды из газовых потоков [76-78]. Влажный газ пропускают через слой сухого адсорбента, который поглощает воду из газа, осушая его. Сам адсорбент при этом насыщается водой, которую удерживает в своем объеме. Обратный процесс - десорбции паров воды - протекает при регенерации влажного адсорбента путем пропускания через него сухого газа, как это делают в безнагревной короткоцикловой адсорбции (КЦА) [79]. При этом газ выходит из слоя влажным, унося ранее поглощенную воду.
Процесс адсорбции (десорбции) воды сопровождается выделением (поглощением) теплоты, поэтому наряду с фронтом адсорбции в слое формируется тепловой фронт, который движется вдоль слоя со скоростью, отличной от скорости концентрационного фронта [80,81]. Учет неоднородного профиля температур вдоль слоя оказывается принципиально важным как при изучении процесса короткоцикловой адсорбции [76,79], так и при рассмотрении процесса обмена влаги.
Динамика таких систем зависит от закономерностей формирования фронта адсорбции (десорбции) при прохождении влажного (сухого) воздуха через слой адсорбента, которые описаны, например, в [76]. Хотя в динамическое поведение адсорбера с неподвижным слоем вносят вклад адсорбционное равновесие, кинетика адсорбции и гидродинамика протекания газа, качественная картина определяется в основном формой изотермы адсорбции [76, 80].
Реверсивные режимы подачи газа в зернистый слой нашли широкое применение при проведении каталитических реакций. В этом случае эффективность процессов значительно превышает эффективность стационарных процессов [82-84].
Физическая картина процессов переноса при циклических режимах работы зернистого слоя, когда периодически изменяется направление движения фильтрационного потока, значительно усложняется. Исследования [85, 86] показывают, что такая организация химических процессов в зернистых слоях катализатора позволяет удерживать зону с высокой температурой внутри слоя катализатора при низкой входной температуре, что дает возможность осуществлять слабо экзотермические процессы без дополнительного подвода энергии. В этом случае наличие катализатора позволяет не только увеличивать скорость реакции, но и выполнять роль регенератора теплоты, т.е. дает возможность осуществлять химические реакции (например, окисление диоксида серы, синтез аммиака) без дополнительного подвода энергии.
Аналогичный принцип положен в основу процессов КЦА, которые и являются ближайшим аналогом процессов, рассмотренных в данной работе. Основное (и существенное) различие состоит в том, что КЦА как тепловой, так и концентрационный фронты возникают в слое адсорбента и в значительной степени обуславливают друг друга. В случае последовательных слоев непористой теплоаккумулирующей среды и пористого влагопоглощающего адсорбента тепловой фронт, формирующийся в теплоаккумулирующем слое, не обусловлен адсорбцией воды и, соответственно, не связан с концентрационным фронтом уравнениями сохранения теплоты и массы. Кроме того, в предложенном регенеративном устройстве будут наблюдаться тепловые эффекты, как правило, гораздо более сильные, чем в КЦА. Так при адиабатическом разогреве при адсорбции 1 г воды из 1 м3 воздуха составляет примерно 5К, а типичная концентрация воды в помещении достигает 10-12 г/м .
Реверсивные режимы работы в зернистых слоях изучали при наличии химических реакций или процесса адсорбции в ряде работ [87-91]. Так в работе Pesaran [87] проведено экспериментальное исследование по определению переносных характеристик тонкого адиабатического плотного слоя селикагеля при ступенчатом изменении параметров воздуха на входе. В своей работе San [91] исследует реверс-процессы при наличии демпфера, который установлен на выходе и предназначен для уменьшения влажности выходящего потока.
В работах [78, 92] формирование фронта адсорбции воды в неподвижном слое адсорбента исследовали методом ЯМР-микрографии, который позволяет «визуализировать» профиль сорбированной воды, как в слое, так и отдельном зерне адсорбента [93]. Исследования проводились в неподвижном слое модифицированного адсорбента «хлорид кальция в мезопорах силикагеля», который обладает повышенной способностью поглощать воду по сравнению с немодифицированными адсорбентами [94, 95]. Поскольку для этого материала в исследованном диапазоне величины адсорбции изотерма является выпуклой, в соответствии с теорией в ходе процесса адсорбции формировался стационарный профиль адсорбированной воды, который продвигался вдоль слоя с постоянной скоростью. Один из исследованных в данной работе адсорбентов представляет собой оксид алюминия, модифицированный хлоридом кальция [96]. Показано, что при высокой относительной влажности входного воздуха принципиально важен учет капиллярной конденсации, которая приводит к тому, что в начале слоя происходит более быстрое накопление влаги сорбентом. Кроме того, температура в слое сорбента при учете капиллярной конденсации выше, вследствие интенсивного выделения тепла.
В работах [97-102] подробно изучено равновесие паров воды с сорбентами "гигроскопичная соль в пористой матрице-хозяине" для хлорида кальция, хлорида и бромида лития, помещенных в поры силикагеля и пористых углей для композитных сорбентов типа "соль в матрице". Такие композитные сорбенты получили название "селективные сорбенты воды" (ССВ). Оказалось, что статическая емкость этих сорбентов может достигать 0.7 г на 1 г сухого адсорбента при относительной влажности 60-70%, что 3-6 раз больше, чем для чистых пористых матриц, на основе которых эти адсорбенты были приготовлены. Кинетические особенности достижения сорбционного равновесия и динамическая емкость таких композитных сорбентов исследованы пока мало. Так, в работе [102] измерена кинетика десорбции воды композитных сорбентов "СаСЬ в силикагеле" в интервале температур 328-363 К при разных парциальных давлениях паров воды. Сделано предположение, что, процесс десорбции лимитируется диффузией воды в порах силикагеля или в растворе, заполняющем поры.
Исследование процесса регенерации теплоты и влаги на опытно-промышленном образце регенератора
Наибольшее влияние на эти три величины оказывает природа используемого адсорбента. Поглощающая способность испытанных адсорбентов растет в ряду ИК-011-1 КСМГ А1203, что коррелирует с их статической влагоемкостью. Сравнение чистого и модифицированного оксидов алюминия показывает, что введение соли в поры существенно увеличивает степень осушки. Так, для ИК-011-1 (1.8/6 мм) при больших временах контакта т она превышает 0.95, т. е. практически вся попавшая в слой влага поглощается адсорбентом. Даже при расходе 31.3 м3/ч (т » 0.5 с) слой поглощает более 70% влаги (а = 0.74). Для чистой матрицы АІ2О3 (1.8/6 мм) эти величины составляют 0.75 и 0.62 соответственно.
На стадии адсорбции происходит также изменение температуры воздуха, при этом ЛТ= Тшх - 2Ъх меняется от +7.5 до -3.5 С (см. табл. 3.7-3.11). Поскольку при адсорбции паров воды происходит выделение тепла, за счет этого можно ожидать нагрева воздуха на стадии адсорбции. Максимальный нагрев можно рассчитать, полагая, что вся теплота адсорбции идет на нагревание воздуха, т. е. разогрев адиабатический. Если вся влага поглощается в слое, то адиабатический разогрев ЛТАЛ не зависит от расхода, определяется абсолютной влажностью входящего воздуха и при типичной для наших экспериментов влажности 6.0 ± 0.5 г/м составляет 12.0 ±1.0 С. Если часть воды проскакивает через слой, то разогрев уменьшается пропорционально уменьшению количества адсорбированной воды. Реальный разогрев будет меньше расчетного, так как часть теплоты затрачивается на нагрев адсорбента. Эту часть можно не учитывать, начиная с момента времени, когда тепловой фронт достигнет края адсорбера, т. е. весь адсорбент прогреется. Оказалось, что экспериментально измеренный разогрев всегда меньше, чем рассчитанный в адиабатическом приближении. Более того, при малых расходах наблюдается охлаждение воздуха вместо его разогрева. Это связано с тем, что влажный воздух при температуре ГВх поступает в неизотермический слой адсорбента, средняя температура которого после стадии десорбции меньше, чем ГВх. Отдавая теплоту относительно холодному слою адсорбента, воздух охлаждается. Эффект охлаждения растет при уменьшении расхода и при малых расходах (менее 5-7 м /час) может быть основным, приводя к AT О, что и наблюдается экспериментально. При этом тепловой фронт, как на прямом, так и на обратном ходе находится внутри слоя, так что температура выходящего воздуха в полуцикле меняется незначительно. При увеличении расхода воздуха тепловой фронт доходит до края адсорбера, и температура на выходе существенно повышается за счет теплоты адсорбции, достигая 28.2 С для адсорбента ИК-011-1 (1.8/6 мм) при расходе 31.3 м3/час.
На стадии десорбции относительно сухой воздух подавали с обратной («сухой») стороны слоя. Воздух, проходя через слой адсорбента, увлажнялся, при этом его влажность монотонно уменьшалась во времени и перед переключением на обратный ход составляла фкон= 31.1—18.3% или й?кон= 4.9-2.4 г/м в зависимости от условий эксперимента (рис. 3.24-д; рис 3.24-е). Абсолютная влажность на выходе уменьшалась при увеличении объемной скорости подачи воздуха, т. е. при уменьшении времени контакта воздуха с адсорбентом, также как и доля выделенной на обратном ходе воды у. Величину у рассчитывали как интеграл по полуциклу десорбции:
Величина у представляет собой отношение площадей у = (5кмнп - $клоп) / $кмнп на кривой зависимости абсолютной влажности от времени десорбции (рис. 3.24-д). Наиболее сильно на величину 3 влияет природа адсорбента и Р растет в ряду ИК-011-1 КСМГ АЬОз, т. е. в той же последовательности, что и а (см. табл. 3.7-3.11). Таким образом, чем больше воды поглотилось на прямом ходе, тем больше ее потом выделяется на обратном.
Отметим, что модифицированная окись алюминия поглощает и удерживает в себе гораздо большее количество воды, чем чистая, не содержащая соли. Варьируя количество соли на стадии синтеза, можно целенаправленно изменять адсорбционную способность поглотителя, подбирая наиболее оптимальную в зависимости от влажности воздуха, входящего на стадиях адсорбции и десорбции. Так, при уменьшении влажности воздуха на стадии адсорбции целесообразно увеличить количество соли в порах.
Относительная влажность выходящего воздуха слабо зависит от расхода, поскольку падение абсолютной влажности при больших расходах в среднем компенсируется падением температуры за счет десорбции воды. При малых расходах температура на выходе адсорбера может увеличиваться на 1.5-4.5 С, что является результатом двух процессов - нагрева за счет теплоемкости слоя адсорбента, нагретого после стадии адсорбции, и охлаждения за счет десорбции паров воды. Таким образом, закономерности процесса влаго- и теплообмена на стадиях адсорбции и десорбции качественно близки.
