Разработка осушителя воздуха

Аннотация

Для сохранения качества готовой продукции, полуфабрикатов и различных материалов, особенно гигроскопичных, необходимо поддерживать в складских помещениях относительную влажность воздуха на заданном уровне. С этой целью приходится во многих случаях воздух осушать. Для снижения относительной влажности воздуха его часто нагревают, однако этот способ связан с неоправданно большим расходом энергии. Намного эффективнее применять осушители, выполненные на основе холодильных машин. В нашей стране такие осушители воздуха (ОВ) общего назначения до недавнего времени серийно не производились.

За рубежом выпускается широкая гамма ОВ, предназначенных для использования в производственных и складских помещениях, проведении отделочных работ в строительстве и т.д.

Полный текст

В состав типичного осушителя воздуха (рис. 1) входят воздухоохладитель 1, конденсатор 2, компрессор 3, блок управления 4, капиллярная трубка 5, фильтр- осушитель 6, вентилятор 7.

Рис. 1. Осушитель воздуха

В зависимости от параметров воздуха осушка происходит методом конденсации или вымораживания. Осушаемый воздух проходит последовательно через воздухоохладитель (ВО), конденсатор и затем вентилятором направляется либо непосредственно в помещение, либо в вентиляционные воздуховоды для подачи потребителю. Холодильная машина поддерживает температуру поверхности ВО на уровне, более низком, чем точка росы осушаемого воздуха. В этом случае влага из воздуха конденсируется либо намораживается на поверхности ВО. Температура воздуха на выходе из ВО не всегда понижается до температуры точки росы.

При работе ОВ с намораживанием влаги его оттаивание осуществляют за счет теплоты осушаемого воздуха путем периодического отключения компрессора.

В ОКБ СХМ “Технатон” разработан и серийно производится ОВ, обеспечивающий осушку воздуха в диапазоне температуры 5...32 °C и влажности р = 40... 100%. В холодильной машине использован поршневой герметичный компрессор холодопроизводительностью 2,7 кВт при температурах кипения и конденсации соответственно 5 и 55 °C.

Расчеты ОВ проводили по методике А.А.Гоголина [ 1]. Производительность G определяли по формуле

G=(Q_o/r)(l-l/e),

где Q— холодопроизводительность компрессора, кВт;

r- теплота фазового перехода воды пар—жидкость или пар—лед, кДж/кг;

е - коэффициент влаговыпадсния.

Холодопроизводительность компрессора на каждом конкретном режиме находили по экспериментально полученной зависимости коэффициента подачи от степени сжатия. Значения коэффициентов теплоотдачи со стороны воздуха и хладагента рассчитывали по формулам, приведенным в [2].

Исходя из конкретных условий эксплуатации, при разработке осушителя была поставлена задача обеспечить наибольшую эффективность осушки воздуха при его температуре менее 15 °C и влажности 50—60%. В силу этого основное внимание при расчетах было уделено осушке воздуха вымораживанием влаги.

Намораживание влаги на поверхности ВО приводит к изменению се температуры, расхода воздуха и режима работы холодильной машины. Конструкция ВО и осушителя в целом должна обеспечивать при этом сохранение осушающей способности в течение всего цикла намораживания до начала оттаивания. Для выполнения этого условия были проведены расчеты осушителя с различными вариантами ВО в условиях инее образования. Влияние выпадения инея на процесс тепломассообмена и аэродинамическое сопротивление учитывали на основании рекомендаций, изложенных в [2]. Расчетным путем были определены требуемые параметры: площадь теплообменных поверхностей воздухоохладителя 6,0 м² и конденсатора 6,9 м² (коэффициент оребрения соответственно 12,5 и 16,2). Для обеспечения высокой производительности в режимах с намораживанием влаги разработан блок управления (БУ), алгоритм работы которого обеспечивает максимально возможный коэффициент рабочего времени компрессора (отношение времени его работы к времени работы осушителя). БУ по сигналам датчиков температуры определяет режим работы холодильной машины и состояние поверхности ВО. Компрессор отключается при наибольшей для конкретного режима массе инея на поверхности ВО, допустимой по условию обеспечения нормальной работы компрессора, и включается непосредственно после оттаивания.

Основной задачей при экспериментальной отработке опытных образцов являлось уточнение расчетных значений пропускной способности капиллярной трубки и массы заправляемого хладагента. Требовалось обеспечить такое сочетание этих параметров, при котором сохраняются оптимальные значения температуры кипения в процессе намораживания инея на поверхности ВО от момента пуска компрессора до его отключения.

Сравнение расчетных С7 и экспериментальных значений производительности G при t_в = 10 (вымораживание влаги) и t_в = 25 С (конденсация влаги) приведено в таблице.

Рис. 2. Зависимости суточной производительности G (а) и соотношений производительностей О В «Технатон» и QD 270(6) от температуры воздуха t и его относительной влажности.

Таблица

t °C	Q, %	t °C	Q, Вт	t,°С т-	t, °C	£	С, г/с	С, г/с	А,% (погрешность)
10	40	-12,8	1810	—6,4	-4,4	1,088	0,052	0,054
	50	12.0	1860	-5,6	—3,5	1,215	0,119	0,111	+7
	60	-11,4	1910	-4.9	-2,7	1,36	0,18	0,167	+8
	70	-10,6	1960	-4.1	1,8	1,515	0,24	0,226	+6
25	40	-5,5	2290	1,7 3,4	52 7,8	1,217	0,249 0,17	0,139	+ 79 22
	50	-4,5	2370	2,7 4,6	6,6 9,5	1,43	0,382 0.296	0,255	+ 50 16
	60	-3,5	2450	3,2 5,7	8,0 10,9	1,7	0.488 0,426	0,37	22 15
	70	-2,5	2530	4,7 6,6	12,1	2,09 2,04	0,553 0,527	0,507	+

Холодопроизводительность компрессора Q_o, средняя температура поверхности трубки Г, средняя температура поверхности воздухоохладителя г, коэффициент влаговыпадения и производительность (7 определены по экспериментально полученным значениям температуры кипения t₀. Производительность осушителя при r = 10 °C, указанная в таблице, отнесена к времени работы компрессора. В режиме конденсации влаги расчеты проведены при различных значениях коэффициента теплоотдачи а_и со стороны воздуха. В числителе приведены значения параметров при использовании в расчете а_п для сухого теплообмена, в знаменателе — с учетом увеличения а_н за счет повышения скорости и дополнительной турбулизации потока каплями стекающего конденсата. В этом случае сделано предположение, что изменение а пропорционально изменению аэродинамического сопротивления.

Зависимости суточной производительности разработанного ОВ от температуры и влажности воздуха приведены на рис.2, а.

С целью оценки полученных результатов проведено сравнение характеристик разработанного осушителя с характеристиками наиболее близкого по параметрам осушителя QD270 фирмы Barth + Stocklein GmbH.

Холодопроизводительность компрессора (при r₀ = 5 °C и 4= 55 °C), Вт. Масса заправляемого хладагента (R22), г Расход осушаемою воздуха, м³/ч.

На рис.2, б приведены зависимости соотношений производительностей ОВ “Технатон” и QD270 от температуры и относительной влажности воздуха с учетом поправки на разную холодопроизводительность компрессоров. Как видно из рис. 2, б, поставленная при разработке ОВ задача выполнена — обеспечена высокая эффективность осушки при t_в < 15 °C ср < 60%. При других параметрах воздуха эффективность QD270 выше, чем ОВ “Технатон”.      

Накопленный в процессе разработки опыт позволяет проектировать осушители различной производительности с оптимальными для конкретных условий эксплуатации характеристиками.