Том 110, № 4 (2021)

В данной статье поднимается проблема повышенной влажности на ледовой арене в г. Сочи, которая решается с использованием типовых решений для систем вентиляции и кондиционирования. В работе была рассмотрена структура системы вентиляции, а также были выделены причины повышенной влажности воздуха такие, как: влага, находящаяся в виде водяного пара и холодная поверхность льда, которая в свою очередь охлаждает окружающее пространство и предметы. Последствиями такого состояния воздуха являются: образование тумана над поверхностью льда; образование конденсата, который в свою очередь ухудшает качество ледового покрытия; коррозии стальных и железных конструкций; появление плесени. Помимо этого, микроклимат в помещении является некомфортным для пребывания людей. В ходе исследования были выделены несколько способов, позволяющих добиться необходимых параметров воздуха внутри помещений. Одним из таких способов является сорбционное осушение. Данная система способна функционировать при низких температурах, а также справляется даже с экстремальной сыростью, но требует существенных затрат. Вторым способом, более простым и эффективным, является ассимиляция. Этот способ базируется на способности теплых воздушных масс удерживать большее, в сравнении с холодным, количество водяных паров. Данный вариант улучшения параметров воздуха более эффективен, когда требуется доработать уже существующую систему вентиляции. В нашем случае, на ледовой арене в г. Сочи более эффективным является применение способа ассимиляции. В имеющуюся вентиляционную установку было произведено внедрение подобранных воздухоохладителей с каплеуловителем. Расчет подобранных теплообменных аппаратов осуществлялся с помощью программы ППВО.

Обоснование. Углекислота рассматривается как альтернативный холодильный агент парокомпрессионных холодильных систем, в частности, для систем кондиционирования воздуха (СКВ). Одна из проблем этого агента — повышенное давление в холодильном контуре. Для снижения давления можно использовать смесь СО₂ с веществом, имеющим в тех же условиях значительно меньшие давления, например, с диметилэфиром (ДМЭ), который имеет нулевые GWP и ODP, недорог, доступен. Исследованием ДМЭ, в частности, занималась кафедра Э4 «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Однако, ДМЭ среднетоксичен и горюч.

Цель работы — исследование смеси ДМЭ и диоксида углерода на предмет возможности энергоэффективного применения в СКВ с использованием серийно выпускаемых компрессоров для R410A.

Методы. Сравнительный расчетный анализ характеристик простого одноступенчатого парокомпрессионного цикла на R410A и на смеси ДМЭ с диоксидом углерода при использовании расчетных пакетов Mathcad 15, Aspen HYSYS v. 10, SOLKANE8 и REFPROP.

Результаты. Наиболее эффективным с точки зрения холодильного коэффициента является цикл на чистом ДМЭ: ε = 5,63 при температуре воздуха окружающей среды 26°С, ε = 3,07 — при 40°С.

Необходимо учесть влияние температурных глайдов, средняя величина которых лежит в диапазоне от 10°С до 30°С в зависимости от концентрации компонентов.

При соотношении ДМЭ/СО₂ 40/60% и 60/40% (в мольных долях) давление нагнетания соответствует давлению нагнетания в цикле R410A: 39,62 бар при температуре окружающей среды 26°С и 37 бар при 40°С, соответственно.

Заключение. Предложена экологичная смесь диметилового эфира и диоксида углерода с малым GWP и нулевым ODP. Увеличение процентного содержания ДМЭ в смеси увеличивает холодильный коэффициент и уменьшает диапазон давлений, но при этом возникают значительные температурные глайды, которые сказываются на эффективности работы установки: переходу к циклу с докипателем, т.е. с рекуперативным теплообменником между потоком хладона, выходящего из испарителя и потоком хладона, выходящего из конденсатора. Предложенная смесь менее эффективна, чем хладон R410A, с точки зрения холодильного коэффициента и давления нагнетания. Однако, возможно дальнейшее рассмотрение смеси ДМЭ и СО₂ с концентрациями 40% и 60% соответственно, как замена хладагенту R410, так как наблюдается соответствие давлений нагнетания для серийных компрессоров (порядка 40 бар), но при этом необходимо помнить о пожароопасности смеси.

В четвёртой части статьи пошагово изложен алгоритм применения вновь разработанного m-ε-NTU метода для расчёта воздухоохладителей в режиме с влаговыпадением или инеевыпадением, а также приведено его сравнение с методом посегментного разбиения теплообменного аппарата. Данное сравнение показало хорошую сходимость результатов расчётов при многократном сокращении времени их выполнения. Значение отклонения расчётной величины тепловой мощности, вычисленной с использованием вновь разработанного метода, от той же величины, вычисленной при помощи метода посегментного разбиения, в среднем составило 3,23% по модулю и не превышает 4,5% по модулю. При разбиении теплообменного аппарата на 40 сегментов время выполнения расчётных программ возрастает приблизительно в 18 раз по сравнению с использованием вновь разработанного метода, что можно назвать существенным преимуществом последнего. Учитывая вышесказанное, вновь разработанный метод может широко использоваться в целях подбора воздухоохладителей, их поверочных и конструкторских расчётов.

Обоснование. Имеется необходимость в наличии универсального метода расчёта воздухоохладителей, применимого как к конструкторским, так и к поверочным расчётам, учитывающего влияние влаговыпадения и инеевыпадения на процесс теплообмена и позволяющего быстро выполнять большое количество расчётов для моделирования работы систем холодоснабжения и кондиционирования воздуха без значимой потери точности. Метод расчёта, удовлетворяющий всем вышеназванным критериям, отсутствует как в отечественной, так и в зарубежной литературе.

Цель работы — создание универсального метода расчёта воздухоохладителей, применимого как к конструкторским, так и к поверочным расчётам, учитывающего влияние влаговыпадения и инеевыпадения на процесс теплообмена и позволяющего быстро выполнять большое количество расчётов для моделирования работы систем холодоснабжения и кондиционирования воздуха без значимой потери точности.

Методы. Разработанный метод расчёта воздухоохладителей основан на классическом подходе ε-NTU (эффективность — число единиц переноса теплоты) и является его адаптацией, позволяющей учесть влияние процесса влаговыпадения и инеевыпадения на процесс теплообмена, а также выполнить расчёт (в т.ч. комбинированного режима работы воздухоохладителя) без разбиения теплообменного аппарата на отдельные сегменты. Оценка погрешности расчётов, выполненных с использованием разработанного метода, производилась путём сравнения полученных расчётных величин тепловой мощности аппарата с теми же величинами, вычисленными с использованием метода посегментного разбиения, для множества режимов работы (включая комбинированный).

Результаты. Сравнение с методом посегментного разбиения теплообменного аппарата показало хорошую сходимость результатов расчётов при многократном сокращении времени их выполнения. Значение отклонения расчётной величины тепловой мощности, вычисленной с использованием разработанного метода, от той же величины, вычисленной при помощи метода посегментного разбиения, в среднем составило 3,23% по модулю и не превышает 4,5% по модулю. При разбиении теплообменного аппарата на 40 сегментов время выполнения расчётных программ возрастает приблизительно в 18 раз по сравнению с использованием разработанного метода, что можно назвать существенным преимуществом последнего.

Заключение. Разбиение теплообменного аппарата на сегменты для расчёта не приводит к значимому повышению их точности по сравнению с новым методом, благодаря чему можно заключить, что разработанный модифицированный метод эффективность-NTU (m-ε-NTU) может широко использоваться в целях подбора воздухоохладителей, их поверочных и конструкторских расчётов.

Попытки уменьшить отрицательное влияние на окружающую среду привели, в том числе, к использованию, так называемых, природных хладагентов. Одним из которых является СО₂. На предприятиях пищевой промышленности данный хладагент используется в двух основных циклах — каскадном и транскритическом.

Наряду с отрицательным воздействием на окружающую среду, необходимо учитывать и увеличение эффективности работы холодильных установок, что для транскритических циклов становится особенно актуально.

Целью исследования является разработка методики расчета и анализа транскритического цикла СО₂ с параллельным сжатием и эжектором.

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 транскритического цикла СО₂ с параллельным сжатием и эжектором с двумя температурными уровнями, приведена методика расчета и анализа потерь в элементах холодильной установки, работающей по транскритическому циклу СО₂ с параллельным сжатием и эжектором.

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