солнечные осушительно-испарительные холодильные системы на основе тепломасСообменных аппаратов с подвижной насадкой :

Краткое содержание

ОСНОВНиЙ ЗМІСТ РОБОТи

У вступі і першому розділі роботи відображена актуальність проблеми, виконано аналітичний огляд, що характеризує стан досліджень у світі в даній області і, як перспективний напрям розвитку сонячної енергетики, виділені багатофункціональні сонячні системи осушувально-випарного типу з непрямою регенерацією абсорбенту, сформульовані цілі і завдання дослідження.

Другий розділ присвячений розробці схемних рішень сонячних багатофункціональних систем (БСС) теплохолодопостачання і кондиціювання повітря (СХС і ССКП) осушувально-випарного типу з непрямою регенерацією абсорбенту; розробці сонячних колекторів (СК) і тепломасообмінної апаратури (ТМА) для БСС, а також вибору робочого тіла для осушувального контуру системи. Аналітичний огляд дозволив виділити, як перспективний напрям розробок, наступні принципи: сонячні тепловикористовуючі системи абсорбції з непрямою регенерацією абсорбенту; сонячні колектори на основі металополімерних багатошарових багатоканальних композицій СК/м-п; широке використання полімерних матеріалів в ТМА осушувального та охолоджувального контурів сонячних холодильних систем (СХС). Сонячна холодильна система (рис. 1) включає два контури: осушувальний (II) і охолоджувальний (III). Осушувальний контур складається з абсорбера-осушувача зовнішнього повітря (АРН) з рухомою псевдозрідженою насадкою, десорбера-регенератора (ДРН), причому абсорбер потребує охолодження, оскільки в процесі поглинання водяної пари виділяється теплота, а десорбер – підведення теплоти для регенерації абсорбенту. Завдання охолодження вирішує градирня технологічного призначення (ГРН/т), а завдання генерування теплової енергії – сонячна система (I), що складається з набору СК/м-п. Охолоджувальній контур СХС (III) включає випарний охолоджувач води, продуктову градирню (ГРН/пр) або повітроохолоджувач ВПН, що забезпечує подачу в приміщення повітря, яке пройшло термовологісну обробку. В даний час в практиці набули поширення комбіновані рішення (рис. 1Б), коли в приміщення подається як оброблене повітря, так і охолоджена вода, що забезпечує необхідну оперативність управління комфортними параметрами повітряного середовища в приміщенні. На рис. 1В-Г наведено варіанти компоновки охолоджувачів з використанням наявних потенціалів додаткового охолоджування в повітряному потоці, що покидає приміщення і у холодному повітряному потоці, який покидає ГРН/пр. Повітря покидає градирню при температурі істотно нижчій, ніж температура зовнішнього повітря. На рис. 2 наведено варіант розробленої СХС. В осушувальній частині теплота, необхідна для регенерації абсорбенту, забезпечується геліосистемою з плоскими сонячними колекторами 16 (17 – бак-теплоакумулятор, 18 – додаткове гріюче джерело, необхідність в якому визначається природними коливаннями сонячної активності і робочими параметрами сонячної системи, що змінюються). Повітряній потік (свіже зовнішнє повітря) при осушуванні в абсорбері АРН знижує вологовміст х_г, що забезпечує значний потенціал подальшого випарного охолоджування води в ГРН/пр або повітря в повітроохолоджувачі ВРН. Як тепломасообмінні апарати використовуються розроблені апарати уніфікованого типу з рухомою насадкою сферичної форми (трьохфазний псевдозріджений шар «газ-рідина-тверде тіло»). Це забезпечує можливість самоочищення робочих поверхонь і стінок корпусу ТМА, що, при роботі із зовнішнім повітрям і розчинами абсорбентів, є принципово важливою умовою підтримки працездатності систем. У ТМА використовується двохярусне розташування рухомої насадки, причому, для кожного ярусу роль опорно-розподільної решітки (ОРР) виконує теплообмінник 7 (пластинчастого або трубчастого типу). У теплообмінники абсорбера поступає вода від випарного охолоджувача води ГРН/т, а в теплообмінники десорбера – теплоносій від сонячної водонагрівальної системи. Для створення ГРН/т, що обслуговуює абсорбер-осушувач рекомендовано одноярусне рішення, де робоча зона апарату екранована знизу теплообмінником, а у верхній частині або краплевідділювачем жалюзійного типу, або ще одним теплообмінником, який виконує одночасно роль такого краплевідділювача. По такій схемі оформлюється і повітроохолоджувач ВРН. Ще один теплообмінник може розташовуватися безпосередньо в ємкості охолодженої води і в цьому випадку він виконується з неоребрених труб. Градирня продуктового контуру виконується з двохярусним оформленням робочої зони, і число теплообмінників в ній може варіюватися до чотирьох. Повітря, яке осушене в абсорбері, поступає в градирню ГРН/пр, де забезпечується глибоке охолодження води, яка може використовуватися у вентильованих теплообмінниках-охолоджувачах, які встановлюються в приміщеннях, що кондиціонують, або холодильних камерах. Геліосистема у складі необхідного числа сонячних колекторів (16) і бака-теплоакумулятора (17) з дублюючим джерелом нагрівання (18), забезпечує теплову енергію для реалізації процесу десорбції (поновлення абсорбенту) у десорбері ДРН. Оскільки повітря, що покидає «продуктову» градирню, зволожене, але достатньо холодне, воно може використовуватися для попереднього охолодження гарячого міцного розчину абсорбенту, який покидає ДРН. Як абсорбент використовуються водні розчини бромистого літію з домішками, що знижують корозійну активність і збільшують розчинність. Це розчини LiBr (H₂O+LiBr) та LiBr+ (H₂O+LiBr+LiNO₃); для досягнення потрібної рушійної сили необхідна концентрація LiBr повинна складати 60...65% при температурі регенерації абсорбенту 30...60 °С.

Сонячний колектор (16) включає теплоприймач-абсорбер, прозоре покриття з повітряним зазором між прозорим покриттям і теплоприймачем, і теплоізоляцію дна. Раніше в Одеській державній академії холоду (ОДАХ) вперше було підтверджено високі характеристики полімерних СК порівняно зз традиційними металевого типупу СК і показана доцільність усунення повітряного зазору без істотного зниження ефективності СК. Найважливішою характеристикою плоского СК є рівномірність розподілу теплоносія по каналах теплоприймача, оскільки нерівномірність може призводити до формування ситуацій, наприклад до  утвореннякризових парових пробок в каналах з мінімальною витратою теплоносія; це явище значно посилюється при переході до суцільної багатоканальної структури каналів і стає небезпечним при використанні, як матеріалу теплоприймача, полімерів. Перехід на метало-полімерний варіант СК/м-п усуває цю небезпеку.

Третій розділ присвячений вивченню процесів тепломасообміну в ТМА з рухомим шаром насадки (процесів гідроаеродинаміки трьохфазного псевдозрідженого шару насадки «газ-рідина-тверде тіло» і випарного охолоджування води, а також процесу осушування повітря розчинами абсорбенту). Експериментальний стенд є колоною циліндричної форми, яка складається з набору прозорих царг діаметром D_к » 200 мм і висотою Н_к = 1000 мм. З урахуванням ОРР висота робочої зони колони складає 950 мм (при двохярусному розташуванні насадки висота робочої зони кожного ярусу складає приблизно 450 мм). В колоні розміщена ОРР з шаром рухомої насадки РН і водорозподільник з варійованим розташуванням по висоті колони. Величини f_орр = 65...85% і Н_ст = 50...160 мм змінювалися дискретно. У розподільних камерах (нижній і верхній) розташовані вимірювальні датчики для виміру значень температури і вологості повітряних потоків. Стенд обладнаний додатковим баком з вузькою горловиною і вимірювальною лінійкою для виміру затримки рідини Н_р (утримуючої здатності шару РН). Можливості стенду: витрати теплоносіїв і теплофізичні параметри змінювалися в діапазонах: q_р = 5...35 м³/(м² год), w_г = 1,5...7 м/с, t_г до 50С°,                     φ_г = 30...90%, початкова температура рідини t¹_р до 40 °С. Найважливішою характеристикою апаратів з РН є кількість утримуваної рідини, або затримка Н_р. Ця величина визначає поверхню тепломасопереносу в псевдозрідженому шарі насадки. В роботі використано циркуляційний метод, який заснований на принципі збереження кількості рідини при роботі по замкнутому контуру. У дослідах використовували переважно порожнисті целулоїдні кулі – елементи насадки (ЕН), причому величина ρ_ен для них варіювалася послідовним частковим заповненням водою порожнистих куль (у контрольних партіях). Разом з цим, раніше, було проведено експеримент з цілісними кулями зі спіненого поліпропілену, якими комплектуються промислові ТМА. Програма дослідження охоплювала наступні питання: вивчення гідроаеродинаміки рухомого шару «газ-рідина-тверде тіло» з урахуванням критичних явищ в системі (перехід ЕН в псевдозрідження, явища гістерезису і «захлинання» шару РН); визначення робочих діапазонів навантажень по газу і рідині і відповідних режимів псевдозрідження насадки, включаючи вплив f_орр, Н_ст, ρ_ен; вплив багатоярусного оформлення колони (двох- і трьохярусне); структури трьохфазного рухомого шару насадки з урахуванням затримки рідини, динамічної висоти шару РН, порозності, поверхні перенесення тощо; вплив типу ОРР, у вигляді звичайних опорно-розподільних решіток або пластинчастого теплообмінника ОРР/т-о на гідроаеродинаміку рухомого шару «газ-рідина-тверде тіло»; оптимальний режим роботи колони з рухомою насадкою і відповідні йому геометричні параметри елементів і шару, включаючи вплив f_орр, Н_ст, ρ_ен, форми і матеріалу ЕН; оптимальний принцип компоновки шару РН, включаючи число ярусів розташування насадки.

Основні результати представлені на рис. 3-7, причому результати для одноярусного розташування насадки в колоні були отримані раніше в ОДАХ в роботах О. Дорошенка, М. Кологривова, О. Грандова, І. Козака і були використані для оцінки даних експериментальних досліджень. Важливим є питання про характер переходу шару насадки із стаціонарного в рухомий стан. Традиційно критична швидкість переходу () визначається візуально аналізом кривої псевдозрідження Dр = f(). Нами проведена конкретизація перехідних процесів аналізом віброкривої . Швидкість була визначена для порожнього перетину колони; розглянуті фіксований та первинно ущільнений шар ЕН, що має можливість розширюватися при подачі навантаження по газу і рідині (рис. 3А). Характерні швидкості руху газу: w*_г; w_отр – максимальна швидкість, до якої збігаються криві для фіксованого і рухомого шарів; w_з – початок «захлинання» стаціонарного шару; w₀, w*₀ – початок псевдозрідження «сухого» і «зрошувального» шару насадки; w₁ – початок розвиненого псевдозрідження; w_і – початок інверсії. Значення w*₀ чітко фіксується по віброкривій  у вигляді стрибка (@ 20 дБ або 30%) і слабо виражено на кривій псевдозрідження. Процес переходу в рухомість виявився значно складнішим за традиційні уявлення. При  утворюються нестійкі псевдостаціонарні стани ЕН, що характеризуються періодичним рухом окремих ЕН (перебудова шару із зміною його порозності). Змінюється структура шару і коливається затримка рідини, тобто значення  характеризується деяким діапазоном існування. Ширина цього діапазону залежить від ступеня первинної ущільненості шару, яка визначається власною вагою ЕН і дією зовнішніх навантажень і вібрацій. Зафіксований гістерезис кривих псевдозрідження при прямому і зворотному ході (нарощування і зменшення навантаження по газу ). Це явище обумовлене силами зчеплення між ЕН, що приводять до формування щільних або рихлих упаковок. Величина затримки рідини впливає на спосіб упаковки: із зростанням  знижується вірогідність утворення рихлої, стійкої упаковки. Елементи с < 200 кг/м³ переходять у рухомість, минаючи «захлинання» у стаціонарному стані; при  > 200 кг/м³ псевдозрідження здійснюється в умовах «захлинання» псевдостаціонарного шару, який розширюється; при  > 700 кг/м³ ця картина зберігається при більших значеннях Н_р, причому частина рідини виноситься за межі шару і розташовується поверх його верхньої межі у вигляді піни товщиною  понад 0,02 м. Можна зробити висновок про суттєво більш складне протікання процесів у трьохфазній системі і доповнити уявлення про вплив ρ_ен (рис. 3А):           1. ρ_енI (ρ_ен < 200 кг/м³) – «легкі» елементи; система переходить у стійкий псевдозріджений стан із незначним накопиченням рідини у стаціонарному шарі; характерні особливості: невеликі значення Н_р, причому затримка рідини мало  змінюється із зростанням w_г (рис. 4 Г и Д); різке зростання із збільшенням  динамічної висоти шару ЕН – Н_д, а, отже, висоти робочої зони і загальної висоти апарату. 2. ρ_енII (200...700 кг/м³) – початку псевдозрідження передує часткове «захлинання» стаціонарного шару; характер переходу у рухомість визначає послідовну поведінку системи; характерні особливості: значно більше значення Н_р; зниження Н_д у порівняних умовах; швидкість початку «захлинання» апарата w_з достатньо велика (» 6 м/с); унесення рідини DG_р із робочої зони невелике до значень w_з. 3. ρ_енIII (ρ_ен > 700 кг/м³) – «важкі» елементи; характерні особливості: подальше зростання Н_р, але його супроводжує перерозподіл маси рідини за рахунок її виносу у пінний шар; різке зростання D G_р при  w_г > w_з; спостерігається абсолютно інша картина роботи системи, ніж у попередньому випадку; цьому режиму відповідає зростання ступені використання газового потоку (рис. 5, 6). Переважним для реалізації є діапазон ρ_енII (200...600 кг/м³), який відрізняється широкою робочою ділянкою по w_г, прийнятними значеннями унесення рідини і порівняно невеликою динамічною висотою шару. Стосовно до цієї зони виділені характерні режими псевдозрідження: 1) 0 < w_г £ 2,0 м/с – стаціонарний стан системи з локальною перебудовою структури нерухомого шару і деяким зростанням порозності; лінійне зростання Н_р (w_г) аж до швидкості початку псевдозрідження  із прогресуючим «захлинанням» нерухомого шару, який перебудовується. 2) 2,0 < w_г £ 2,5 м/с – режим початкового псевдозрідження (перехідний); відмічається характерний пік Н_р при швидкості газу , з наступним поновленням до попереднього значення; система нестала, частина шару залишається нерухомою і має місце його перебудова.               3) 2,5< w_г £ 6,0 м/с – режим розвитого псевдозрідження; весь шар насадки рухомий, система однорідна (гомогенна); характер переходу у рухомість позначився на поведінці системи: підтримується стан початкового «захлинання», яке із зростанням w_г не розвивається далі у розвинуте «захлинання» завдяки компенсуючому механізму розширення шару. Така своєрідна ситуація у широкому діапазоні w_г початкового «захлинання», який підтримується, забезпечує можливість сталої експлуатації апаратів з РН в режимі високих навантажень. В межах режиму, що описується, можна виділити ділянку w_г @ 4,7...6,0 м/с, де залежність Н_р =f (w_г) практично відсутня. Ділянка ця передує новому різкому зростанню Н_р                         (рис. 4 Г та Д). В якості оптимальних параметрів рекомендовані: f_орр = 75% и            h_орр = 0,1м, як для одно- так і для двохярусного оформлення колони; для оформлення апаратів осушувального контуру двохярусне оформлення колони (абсорбера АРН та десорбера ДРН); для продуктової градирні двохярусне (ГРН/пр), для повітроохолоджувача ВРН і градирні ГРН/т одноярусне оформлення; вплив висоти стаціонарної насадки Н_ст = 0,1 та 0,16 м (рис. 3 В); для двохярусної насадки вперше вивчений характер «захлинання» РН на високих навантаженнях по газовому потоку і побудована інверсійна крива (рис. 4 В, результат одержаний для високих значень q_р = 12м³/(м² год); досліджена затримка рідини: вплив навантажень по газу на утримуючу здатність шару РН (Н_ст = 0,1 м, f_орр = 0,85; ρ_ен = (кг/м³): 1 – 100; 2 – 300;  3 – 600; q_р = 15м³/(м² год), як для одноярусної, так і двохярусної насадки; вплив навантажень по рідині на утримуючу здатність шару РН (Н_ст = 0,1 м, f_орр = 0,85;        ρ_ен , (кг/м³): 1 – 100; 2 – 300; 3 – 600; w_г = 3,5м/с, як для одно-, так и для двохярусної насадки (рис. 4 Г та Д); досліджена затримка рідини у псевдозрідженому шарі для колони з ОРР у вигляді теплообмінника; ці дані одержані вперше і без них неможливий розрахунок  і проектування колон осушувального контуру сонячних систем і ГРН/пр.