Том 110, № 2 (2021)

Разработанный метод расчетов, применимый к воздухоохладителям, работающим в «сухом» (без влаговыпадения), «мокром» (с влаговыпадением на всей поверхности) или комбинированном (с влаговыпадением на части поверхности) режимах — как для противоточных и прямоточных воздухоохладителей без фазового перехода охлаждающей среды, так и для случаев с её фазовым переходом. Сравнение с методом посегментного разбиения теплообменного аппарата показало хорошую сходимость результатов расчетов при многократном сокращении времени их выполнения, благодаря чему, вновь разработанный метод может широко использоваться в целях подбора воздухоохладителей, их поверочных и конструкторских расчетов.

Во второй части статьи приведены основные зависимости, используемые для стационарных расчётов воздухоохладителей, которые являются общими для «сухого» (без влаговыпадения и инеевыпадения), «мокрого» (с влаговыпадением или инеевыпадением на всей поверхности) и комбинированного (с влаговыпадением или инеевыпадением на части поверхности) режимов работы. Описан метод расчёта воздухоохладителей, работающих в «сухом» режиме. Выведены формулы для определения температуры поверхности теплообмена как со стороны охлаждающей среды, так и со стороны влажного воздуха. Немаловажно то, что данные формулы применимы как для воздухоохладителей без фазового перехода охлаждающей среды, так и для случаев с её фазовым переходом. Приведён критерий перехода от «сухого» режима работы воздухоохладителя к «мокрому» или комбинированному.

Обоснование: Системы вентиляции и кондиционирования ледовых арен должны обеспечивать комфортное пребывание людей в помещении и на льду, а также защиту поверхности льда от конденсации влаги. Использование метода конечных элементов при проектировании систем вентиляции позволяет на этапе расчета определить температурно-влажностный режим во всем объеме вентилируемого помещения и, при необходимости, исправить параметры вентиляции с минимальными затратами на этапе проектирования.

Цель – описание методики численного моделирования тепломассообмена в помещении с учетом влажного воздуха и лучистого теплообмена на примере небольшой тренировочной арены.

Методы: для моделирования было использовано программное обеспечение ANSYS CFX, использующее при расчетах метод конечных объемов. Объектом исследования являлся цифровой двойник малой тренировочной ледовой арены, позволяющий учитывать теплофизические процессы, происходящие в помещении. Исследование проводилось для установившегося (стационарного) режима тепломассообмена. Оценка результатов моделирования проводилась по контурам температур и влажности воздуха в наиболее характерных секущих плоскостях. Ввиду отсутствия возможности прямого определения влажности воздуха средствами программного комплекса, было приведено описание способа определения влажности по эмпирическому уравнению.

Результаты: численным путем установлено, что в исследуемой ледовой арене, при заданных параметрах работы системы вентиляции, целевые показатели воздуха выполняются. Конденсация влаги над ледовой поверхностью не происходит, а в зонах пребывания людей обеспечиваются комфортные условия.

Заключение: моделирование тепломассообменных процессов в помещении ледовой арены позволяет как избежать повреждения льда от конденсации влаги, так и проверить комфортность пребывания людей на льду и на трибунах.

Обоснование: В связи с увеличением скоростей вращения валов турбомашин, в особенности авиационного и космического назначения, что продиктовано требованиями компактности и снижения массы, встает вопрос обеспечения заданного ресурса подшипников. Для подобных устройств перспективно использовать лепестковые подшипники на газовой смазке (ЛПГС), которые не требуют дополнительных систем, работают на газе рабочего потока турбомашины и обладают хорошими демпфирующими характеристиками. Не смотря на привлекательность конструкций ЛПГС, их расчёт сильно затруднён, так как непосредственную работу воспринимает тонкий слой газа, а не шарики, как в классических подшипниках. Эффективность ЛПГС напрямую зависит от его конструкции и, в частности, от формы лепестков и величиной зазора между валом и лепестком.

Цель работы – создание математической модели работы лепесткового подшипника на газовой смазке, для определения распределения давления по поверхности лепестка и соответствующую компьютерную программу расчета.

Методы: Расчетное моделирование работы радиального ЛПГС с определением давления в слое смазки и соответствующих ему интегральных характеристик в рамках модели Рейнольдса и уравнения для высоты смазочного слоя при ряде допущений.

Результаты: В результате проделанной работы была разработана компьютерная программа, которая позволяет автоматизировать расчет для пространства изменения переменных и функций, скомпоновать единую таблицу и вывод, построить объемную модель для последующего использования её в системах CAD, графиков давления. Расчет каждого варианта происходит быстрее, чем аналогичный расчет в среде MathCAD. Удобство программы состоит в ее блоковой структуре, наглядной установке взаимосвязей между блоками и разнообразным и понятным выводом, подходящим для отчета (построение графиков), для чертежей и визуализации.

Заключение: Разработан специализированный программный комплекс для параметрической оптимизации газодинамических характеристик ЛПГС. Разработанный инструмент позволяет не только рассчитать несколько случаев, но и помочь выбрать оптимальную форму зазора, на основе ряда предложенных критериев. Помимо всего прочего, расчет позволяет определить вариации в другом режиме работы установки, использование другого вещества, при других габаритных размерах и выбрать именно тот оптимум, что подойдёт конкретной установке. Более того, стало возможным расширение границ применимости лепестковых подшипников, например, на низких оборотах или больших диаметрах.

Обоснование: В настоящее время, в связи с бурным развитием цифровых технологий, требуются все большие мощности компьютерных вычислений, для чего строятся центры обработки данных (ЦОД), требующие порой потребляемые мощности, измеряемые в МВт. Для стабильной работы ЦОД в круглогодичном режиме, необходимо надежное инженерное обеспечение, включающее в себя системы кондиционирования воздуха (СКВ) круглогодичного использования с заданным уровнем надежности. Существует несколько традиционных способов охлаждения ЦОД: прецизионными кондиционерами на основе парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), системами с промежуточным хладоносителем – так называемыми системами чиллер-фанкойлами. Однако, в современных условиях, когда требуемые от ЦОД мощности с каждым годом увеличиваются, а рамки по экологичности и энергоэффективности установок с каждым годом становятся жестче, возникает потребность в поиске новых более энергоэффективных и, в тоже время, экологически безопасных решений для охлаждения ЦОД.

Цель – сравнение предлагаемой энергоэффективной СКВ с комбинированным парокомпрессионным и косвенно-испарительным циклом с наиболее часто используемыми в центрах обработки данных и определить границы перехода между режимами работы предлагаемой СКВ на примере ЦОД, работающего в г. Москва.

Методы: Анализ существующих систем охлаждения ЦОД. Определение типового расчетного набора параметров наружного воздуха в рассматриваемом регионе. Расчётный сравнительный анализ энергопотребления предлагаемой и традиционных СКВ для ЦОД.

Результаты: В результате проделанной работы были освещены различные системы кондиционирования воздуха, применяемые в настоящее время для ЦОД: прецизионные кондиционеры и системы чиллер-фанкойлы. Были описаны основные составляющие каждой системы, достоинства и недостатки наблюдающиеся в процессе проектирования, монтажа, при пуско-наладочных работах, а также при дальнейшей эксплуатации систем. Предложена альтернативная комбинированная система кондиционирования воздуха, объединяющая ПКХМ и косвенно-испарительное охлаждение. Сравнительный анализ предложенной схемы и традиционных решений показал, что комбинированная система кондиционирования воздуха позволяет значительно сократить энергопотребление на кондиционирование ЦОД. Так в условиях московского региона предложенная система в течение года потребляет энергии в 2 раз меньше, чем система чиллер-фанкойлы со свободным охлаждением и в 2,5 раз меньше, чем система с прецизионными кондиционерами, работающими на традиционных парокомпрессионных циклах.

Заключение: Сравнительный анализ предлагаемой энергоэффективной СКВ с комбинированным парокомпрессионным и косвенно-испарительным циклом с наиболее часто используемыми СКВ в ЦОД подтвердил ее высокую энергоэффективность при большей экологической безопасности. Определены границы перехода между режимами работы предлагаемой СКВ на примере ЦОД, работающего в г. Москва, обеспечивающие высокую энергоэффективность и надежность работы.

Ужесточение законодательства в области экологии привело к необходимости поиска хладагентов, являющихся альтернативой применяемым ранее.

Одной из таких альтернатив является использование так называемых «природных хладагентов», к которым относятся аммиак, СО₂, пропан и др.

Большой интерес к использованию СО₂ в качестве хладагента требует соответствующих методик расчета, которые недостаточно представлены в литературе.

Наряду с расчетом циклов и определением параметров в базовых точках требуется проводить анализ эффективности с целью определения оптимального решения.

Целью настоящего исследования является разработка методики расчета и анализа базового транскритического цикла СО₂.

Расчет транскритического цикла основан на фундаментальных законах термодинамики, в основу методики анализа положен энтропийно-статистический метод термодинамического анализа. Расчет цикла включает анализ потерь работы сжатия по компонентам системы.

Приведено описание работы базового транскритического цикла СО₂ с двумя температурными уровнями, приведена методика расчета и анализа потерь в элементах холодильной установки, работающей по базовому транскритическому циклу СО₂.

Применение данной методики позволяет определить элементы и процессы с наибольшими потерями и принять меры для повышения эффективности работы холодильной системы.