


Том 110, № 3 (2021)
Научные обзоры
Очистка газовых смесей от малых примесей в противоточном мембранном модуле: инженерная методика расчета
Аннотация
Одна из задач мембранного газоразделения – извлечение из газовых смесей высокопроникающих примесей малого содержания.
Процесс газоразделения достаточно эффективно организуют в мембранных модулях половолоконного типа.
В рамках настоящей статьи предпринята попытка разработки инженерной методики расчета очистки газовых смесей от малых примесей в противоточном мембранном модуле, которая без использования процедур численного интегрирования и итераций позволит рассчитывать режим разделения с применением аналитических зависимостей
Проанализирована математическая модель процесса газоразделения бинарных смесей с малым содержанием высокопроникающего компонента для решения задач очистки газовых смесей, в том числе осушки. Проведены параметрические исследования процесса и разработана инженерная методика расчета, позволяющая рассчитывать разделение в модуле без использования сложных, ресурсоемких алгоритмов с аналитическими формулами. При параметрическом исследовании в качестве ограничения произведено рассмотрение разделения бинарной газовой смеси. Методика апробирована на примере осушки воздуха в модуле с мембраной ПВТМС (поливинилтриметилсилана), в приближении бинарной смеси, численные и аналитические результаты хорошо согласуются между собой, при этом расчет по разработанной методике требует на несколько порядков меньшего количества вычислений, и даже может проводиться вручную.



Тепловой потенциал почвы как источник энергии для отопления и охлаждения зданий
Аннотация
В данной статье описана проблема эксплуатации современных и, в будущем, строящихся зданий и необходимость установки в них энергоэффективных систем отопления и охлаждения. Предлагаемая система использует тепловой потенциал почвы с годовым циклом и для целей отопления, и для целей охлаждения здания. В зимнем режиме в системе циркулирует хладагент при помощи гравитационных сил, когда он выкипает в нижней части тепловой трубы, погруженной в почву, отнимая теплоту от последней и конденсируется в верхней части тепловой трубы, передавая теплоту воздуху или жидкому теплоносителю системы отопления здания и за счет силы тяжести стекает вниз. Однако в летний период времени подъем сконденсированного в нижней, внутрипочвенной части тепловой трубы хладагента на верх для испарения и охлаждения здания является непростой инженерной задачей, особенно, если ставится цель не использовать для этого электроэнергию. Были описаны варианты подъема жидкости, применяемые в энергоэффективной системе отопления, кондиционирования и вентиляции здания. Также, был проведен обзор возможных решений, способных поднять жидкость в верх с минимальными затратами энергии. Были рассмотрены системы с капиллярным подъемом двух разных типов, ультразвуковой подъем, возможность объединения вышеперечисленных способов, осмотический подъем, подъем с помощью парового насоса, а также классический погружной насос. Выполнен качественный сравнительный анализ предложенных вариантов, и дан конечный результат, в том числе с привязкой к схеме. Так же были предложены задачи для дальнейшего исследования и постановки эксперимента.



Разработка микроклиматических систем здания традиционными и современными автоматизированными методами
Аннотация
В последнее время появляется все больше автоматизированных пакетов для расчетов инженерных систем зданий, которые позволяют ускорять процесс проектирования и способны решать сложные инженерные задачи. В этой ситуации актуально сравнить традиционные способы расчета и проектирования микроклиматических систем ручным способом и расчет и проектирование с использованием математического моделирования в известных современных пакетах. Это особенно актуально для космической отрасли, которая призвана быть передовой. В работе рассмотрены: архитектурный пакет Autodesk Revit и пакет расчета циклов Aspen Hysys. Создана расчетная модель здания в соответствии с чертежами и рассчитаны теплопритоки и теплопотери. Произведен ручной расчет и сравнение. Составлена пневмогидравлическая схема и рассчитана вручную и с применением расчетного комплекса. Произведена оценка расхождения результатов. Показано, что использование систем математического моделирования Revit и Hysys перспективно. При этом расчеты в автоматизированном в пакете Aspen Hysys хорошо согласуются с традиционными методикам ручных расчетов, а расчеты в архитектурном пакете Autodesk Revit необходимо настраивать, учитывая реальные возможности проектируемых инженерных систем конкретных зданий и сооружений.



Оригинальные исследования
Модифицированный метод эффективность-NTU (m-ε-NTU) для расчёта воздухоохладителей в режиме с влаговыпадением или инеевыпадением. Часть III
Аннотация
Разработан новый метод расчётов, применимый к воздухоохладителям, работающим в «сухом» (без влаговыпадения и инеевыпадения), «мокром» (с влаговыпадением или инеевыпадением на всей поверхности) или комбинированном (с влаговыпадением или инеевыпадением на части поверхности) режимах, как для противоточных и прямоточных воздухоохладителей без фазового перехода охлаждающей среды, так и для случаев с её фазовым переходом. К преимуществам разработанного метода можно отнести: его универсальность; учёт влияния влаговыпадения и инеевыпадения на процесс теплообмена; возможность применения как к конструкторским, так и к поверочным расчётам; низкую алгоритмическую сложность (за счёт отсутствия необходимости в разбиении теплообменного аппарата на отдельные сегменты для расчёта, а также отсутствие итеративных вычислений для определения доли сухой поверхности теплообмена в комбинированном режиме работы) и, как следствие, высокую скорость выполнения расчётных программ.
В третьей части статьи описан метод расчёта воздухоохладителей, работающих в «мокром» и комбинированном режимах. Приведён критерий перехода от «мокрого» режима работы воздухоохладителя к комбинированному. В случае с комбинированным режимом показано, что для противоточных воздухоохладителей доля сухой поверхности теплообмена может быть выражена напрямую, что помогает избежать итеративных вычислений и уменьшить время выполнения расчётных программ.
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 — 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 превышало 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.



Проектирование турбомашины авиационной системы кондиционирования воздуха с электрокомпрессором и использованием парокомпрессионного и водоиспарительного охлаждения
Аннотация
Обоснование. Традиционно, для нужд авиационной системы кондиционирования воздуха (СКВ) воздух отбирается от компрессоров двигателей, поскольку воздух в окружающей среде разряжен, а в салонах требуется поддерживать более высокое давление, комфортное для пассажиров [1–3]. Такое решение энергозатратно, ввиду забора воздух из компрессоров с ощутимо большим давлением, чтобы СКВ работала на всех высотах в течение полета.
Предлагается использовать СКВ без отбора воздуха от двигателей самолета, с автономным электрокомпрессором [5–7]. В качестве узла охлаждения предлагается использовать комбинированную схему, использующую, как традиционный воздушный цикл с турбохолодильником, так и парокомпрессионную холодильную машину с возможностью работы в режиме теплового насоса и дополнительным водоиспарительным охлаждением.
Цель работы — рассчитать и обосновать энергоэффективность предложенной схемы СКВ самолета без отбора воздуха от маршевых двигателей и вспомогательной силовой установки, использующую электрокомпрессор, парокомпрессионную холодильную машину с режимом теплового насоса и водоиспарительное охлаждение; спроектировать рабочее колесо турбокомпрессора при помощи традиционных методик и современных средств моделирования, сравнить эти методы и дать заключение об их перспективности.
Методы. Проведено расчетное сравнительное исследование традиционной и предлагаемой схем СКВ. Выполнен расчет проточной части компрессорного колеса традиционными методами и при помощи CFX моделирования.
Результаты. При использовании предложенной схемы уменьшается энергопотребление СКВ при стоянке летом на земле в 10 раз, в крейсерском полете в 16,6 раз. В результате сравнения расчетов турбоагрегата, выполненного по классической методике и с использованием CFX моделирования, было выявлено, что при одних и тех же исходных данных получается несколько отличная геометрия рабочего колеса. Это связано с тем, что моделирование учитывает реальные свойства рабочего газа и более точно учитывает внутренние перетечки.
Заключение. Предложенная схема СКВ обладает большой энергоэффективностью и требует дальнейших исследований по полноценному сравнительному анализу с традиционными решениями по всем показателям. В целом, 3D моделирование проточной части турбомашины показывает более реальную картину изменения параметров, но для приближенных и эскизных расчетов имеет смыл пользоваться 2D моделированием, т.к. оно достаточно точно решает задачу.



Смесь диоксида углерода и диметилового эфира в качестве хладагента для наземной системы кондиционирования воздуха
Аннотация
Обоснование. Выбор хладагентов для современных систем кондиционирования воздуха (СКВ) наземных объектов представляет собоймногопрофильную задачу. В частности, необходимо обеспечить требуемую энергоэффективность холодильного цикла, экологическую безопасность производства, эксплуатации и утилизации холодильной установки. При этом важную роль играют уровни рабочих давлений в цикле, которые влияют на доступность, стоимость и безопасность холодильного оборудования, а также — пожарная безопасность рабочего вещества.
Цель — провести исследование смеси диметилового эфира и диоксида углерода на предмет возможности энергоэффективного и безопасного применения в СКВ наземных объектов.
Методы. Сравнительный расчетный анализ простого одноступенчатого парокомпрессионного цикла с традиционными рабочими веществами (R22 и R410A) рабочим веществом в виде смеси диметилового эфира и диоксида углерода с использованием расчетных пакетов Mathcad, HYSYS, CoolPack и REFPROP.
Результаты. Предложена экологичная смесь диметилового эфира и диоксида углерода с малым потенциалом глобального потепления (GWP) и нулевым потенциалом истощения озонового слоя (ODP). Увеличение процентного содержания диметилового эфира (ДМЭ) в смеси уменьшает температурный глайд в газоохладителе, являющийся свойством СО2, а также уменьшает давления, при которых работает смесь. В связи с горючестью диметилового эфира эксплуатационные свойства смеси ограничены, однако, с точки зрения экологических показателей данный вариант представляет некоторый интерес для практического использования.
Заключение. Проведен расчет по пожарной безопасности. Определена концентрация диметилового эфира в смеси, при которой смесь становится горючей и небезопасной для применения в системах кондиционирования, равная 8,3%.
С увеличением содержания диметилового эфира в смеси ДМЭ и СО2 в пределах от 4 до 8% увеличивается холодильный коэффициент цикла с 2,53 до 2,88, но он в 1,57 раза меньше, чем у R410A.
Определена разница рабочих давлений между применяемыми неэкологичными хладагентами и предлагаемой к использованию смесью. Она позволяет сделать вывод, что в текущем виде смесь диметилового эфира и диоксида углерода неприменима на компрессорах массового производства, используемых для хладагента R410A. Давление конденсации наиболее эффективной и негорючей смеси ДМЭ и СО2 (с концентрацией ДМЭ 8%) составляет 101 бар против 30 бар для R410A.
В дальнейшем предполагается проверить смеси диметилового эфира с другими веществами.



Краткие сообщения
Методика расчета и анализа транскритического цикла СО2 с параллельным сжатием
Аннотация
Применение СО2 в качестве хладагента в транскритических циклах требует дополнительных мероприятий по увеличению эффективности холодильной системы. Широкое применение холодильные системы на базе транскритических циклов находят на предприятиях пищевой промышленности.
Для увеличения эффективности применяются разные модификации базового цикла, однако методики расчета и анализа таких циклов недостаточно представлены в литературе.
Наряду с расчетом циклов и определением параметров в базовых точках требуется проводить анализ эффективности с целью определения оптимальных параметров.
Целью исследования являлась разработка методики расчета и анализа транскритического цикла СО2 с параллельным сжатием.
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 с двумя температурными уровнями, приведена методика расчета и анализа потерь в элементах холодильной установки, работающей по транскритическому циклу СО2 с параллельным сжатием.
Применение данной методики позволяет определить элементы и процессы с наибольшими потерями и принять дальнейшие меры для повышения эффективности работы холодильной системы.


