ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОТ СВОЙСТВ АБСОРБЕНТА

E-mail: vladislav.danko@mail.ru

Abstract

The physical processes in the absorption heat and mass transfer devices with a mobile nozzle have been performed experimentally. The ratio between specific humidity change of atmospheric air in the absorber х2 gas and the initial specific humidity with different value х1 gas was founded.
Lithium bromide solution (Li-Br) was used as absorbent in the experimental works. The
efficiency of the absorption process increases with the increasing concentration of the absorbent. It was concluded that for initial specific humidity of atmospheric air х1
gas = 11…20 gr/kg solar absorption system provides quite effective decreasing of the specific humidity of this air flow.
In this work experimentally was proven, that using of the absorption systems contributes to
solving problem of the comfortable air-condition creating in the wide range of the parameters of outside air (хgas = 13…20 gr/kg, and t = 25…40 оC). Proposed solar systems for air-condition systems for south areas of Russia were showed.

Аннотация

Выполнен анализ физических процессов, протекающих в абсорбционных тепломассообменных аппаратах с подвижной насадкой (АПН), путем экспериментального их исследования. Получены зависимости изменения влагосодержания воздуха в абсорбере х2г для различных значений начального влагосодержания воздуха х1г.
В качестве абсорбента использовался литиево-бромистый раствор (Li-Br). С ростом
концентрации раствора абсорбента эффективность процесса абсорбции возрастает. В рассмотренном диапазоне начальных значений влагосодержания наружного воздуха х1г = 11…20 г/кг солнечная абсорбционная система обеспечивает достаточно эффективное снижение влагосодержания воздушного потока.
В работе экспериментально доказано, что использование изученных абсорбционных
систем решает задачу обеспечения комфортного кондиционирования в широком диапазоне параметров наружного воздуха (хг = 13…20 г/кг, при t = 25…40 оC). Проиллюстрированы возможности предлагаемой солнечной системы при использовании ее для кондиционирования воздуха в условиях юга России.

В условиях глобального экономического кризиса наиболее актуальными, в настоящий
момент, являются вопросы энергосбережения и создания технических устройств, рабочие вещества и принцип действия которых являются экологически безопасными и энергоэффективными. Перечисленным выше требованиям соответствуют солнечные абсорбционные холодильные системы на основе тепломассообменных аппаратов с подвижной насадкой, в отличие от традиционных компрессионных холодильных систем [1, 2, 3]. Однако, в мировой и отечественной литературе отсутствует анализ процессов, протекающих в абсорбционных теплообменных аппаратах [4, 5, 6]. Цель данной статьи состоит в изучении физических процессов, протекающих в абсорбционных тепломассообменных аппаратах с подвижной насадкой на основании их экспериментального исследования.
Процесс восстановления раствора абсорбента играет определяющую роль в поддержании непрерывности абсорбционного цикла. Для экспериментального изучения характеристик
абсорбционного цикла был использован стенд [1, 2], который представляет собой колонну
цилиндрической формы, состоящую из набора прозрачных царг диаметром D_к  0,2 м и высотой Н_к = 1 м. С учетом высоты опорно-распределительной решетки высота рабочей зоны колонны составляет 0,95 м. Внутри абсорбционной колонны размещена опорно-распределительная решетка ОРР со слоем подвижной насадки ПН и водораспределитель с варьируемым расположением по высоте колонны. Эффективная площадь опорно-распределительной решетки f_орр = 75%, высота рабочей зоны Н_ст = 0,5 м. Возможности стенда: расходы теплоносителей и теплофизические параметры изменялись в диапазонах: w_г = 2,0…4,0 м/с/ (осушаемый в абсорбере воздушный поток), q_ж = 5…35 м³ (м²/ч) (удельный расход абсорбента); температура и относительная влажность наружного воздуха: t_г = 30 С, х_г = 11…20 г/кг; начальная концентрация раствора абсорбента (крепкий раствор) 64 %. В опытах использовали полые целлулоидные частично заполненные водой шары со значением ρ_эн = 400 кг/м³
.В качестве абсорбента использовался литиево-бромистый раствор (Li-Br). Подготовку
раствора Li-Br требуемой концентрации и поддержание начальной концентрации этого раствора в процессе исследований обеспечивал контур десорбции (восстановления абсорбента), который включал: колонну пленочного типа с подвижной насадкой, два бака-аккумулятора – емкости для крепкого и слабого растворов абсорбента; теплообменник (внутренняя рекуперация теплоты, путем обмена между слабым холодным и крепким горячим растворами абсорбента); воздухонагреватель и нагреватель слабого раствора абсорбента, обеспечивающие требуемую температуру регенерации раствора абсорбента.
Полученные результаты представлены на рисунке 1 в виде зависимостей изменения
влагосодержания воздуха в абсорбере АПН х²_г для различных значений начального влагосодержания воздуха х¹_г . Приведенная концентрация раствора * здесь есть отношение рабочей концентрации к предельно возможной, соответствующей линии кристаллизации. С ростом концентрации раствора абсорбента эффективность процесса абсорбции возрастает. В рассмотренном диапазоне начальных влагосодержаний наружного воздуха х¹_г = 11…20 г/кг солнечная абсорбционная система обеспечивает достаточно эффективное снижение влагосодержания воздушного потока, позволяющее эффективно использовать испарительное охлаждение в охладительном контуре системы.
На рисунке 2А показан результат осушения воздуха в абсорбере при различных значениях исходного влагосодержания воздуха и величинах концентрации абсорбента. Применительно к разрабатываемым солнечным системам на примере задачи кондиционирования воздуха ССКВ на рисунке 2Б на Н/Х диаграмме влажного воздуха проиллюстрированы возможности такой солнечной системы при использовании ее для кондиционирования воздуха, в условиях юга России. В случае, когда исходное влагосодержание воздуха не превышает 16…17г/кг (расчетные параметры Б и В) солнечная система обеспечивает осушение воздушного потока (процессы А-2а, Б-2б, В-2в показаны с некоторым возрастанием температуры в процессе абсорбции; приближение к изотермичности процесса осушения воздуха повышает эффективность процесса осушения, но сопряжено с некоторым ростом энергозатрат на охлаждение воды в технологической ГПН, обслуживающей абсорбер) вполне достаточное для последующего получения комфортных параметров воздуха в воздухоохладителе ВПН (процессы
2а-3а, 2б-3б, 2в-3в). Когда х¹_г выше 17 г/кг, осушенный воздушный поток может быть разделен на две части, одна из которых обеспечивает получение холодной воды в градирне ГПН (процесс 7а-8а) для предварительного охлаждения осушенного воздуха в воздухо-водяном теплообменнике (процесс 2а-4а) и последующего охлаждения в ВПН (процесс 4а-5а) с получением требуемых комфортных параметров в помещении. Отметим, что для юга России начальное влагосодержание воздуха находится в пределах до 17 г/кг.

• 

Начальное влагосодержание воздуха х_г¹ = 11, 16 и 20 г/кг.

• 

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
Аппараты, работающие по принципу открытого абсорбционного цикла с подвижной
насадкой – перспективное направление развития тепломассообменных аппаратов, обеспечивающее устойчивую эксплуатацию в экстремальных технологических условиях (рост нагрузок, высокую поперечную равномерность); использование этого принципа для реализации процессов тепломассообмена при испарительном охлаждении в системе «вода-воздух» и осушения в системе «абсорбент-воздух» особенно перспективно с учетом предотвращения возможных загрязнений и отложений на рабочих поверхностях и стенках колонн.
В работе экспериментально доказано, что использование изученных абсорбционных
систем решает задачу обеспечения параметров комфортности в широком диапазоне параметров наружного воздуха (х^г = 13…20 г/кг, при t = 25…40⁰C, то есть при самых тяжелых внешних условиях) и задачу охлаждения сред на уровне 3…8⁰С; показано, что альтернативная система, работающая по принципу открытого абсорбционного цикла приводит к меньшему истощению природных ресурсов и вносит меньший вклад в глобальное изменение климата.

Список литературы

1. Данько, В. П. Исследование гидродинамических процессов в псевдоожиженном слое
   тепломассообменных аппаратов для альтернативных систем жизнеобеспечения / В. П.
   Данько // Инженерная физика. – 2017. – № 11. – С. 70-75.
2. Дорошенко, А. В. Комбинированные солнечные системы теплохладоснабжения и
   кондиционирования воздуха / А. В. Дорошенко, В. П. Данько // Обладнання та технології
   харчових виробництв. Збірник наукових праць. – 2011. – № 26. – С. 517-522.
3. Danko, V. P. Study of hydrodynamics features in the apparatuses with movable nozzle / V.
   P. Danko, V. V. Karnauh, A. S. Titlov // Сибирский журнал науки и технологий. – 2017. – Т.№ 3. – С. 499-504.
4. Данько, В.П. Процессы и аппараты пищевых производств / В. П. Данько. –
   Краснодар, 2018.
5. Данько, В. П. Физические основы низкотемпературной техники и холодильной
   технологии / В. П. Данько, В. В. Карнаух, А. Б. Кудрин, В. Н. Радионенко. – ДонецкКраснодар, 2016.
6. Данько, В. П. Физика / В. П. Данько // Краснодар, 2017.
7. Данько, В. П. Гидравлика, гидро- и пневмопривод / В. П. Данько // Донецкий
   национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского. –
   Донецк, 2013.
8. Данько, В. П. Альтернативные системы жизнеобеспечения на основе цикла с
   непрямой регенерацией абсорбента / В. П. Данько, А. В. Дорошенко // Известия ВУЗов.
   Проблемы энергетики. – 2017. – № 9-10.
9. Данько, В. П. Изучение гидродинамических режимов работы тепломассообменных
   аппаратов с подвижной насадкой / В. П. Данько, С. Н. Диянова, А. Г. Абазян А //
   Прикладная механика и техническая физика. – 2018. – Т. 59. № 4 (350). – С. 110-116.
10. Дорошенко, А. В. Солнечные холодильные системы на основе тепломасообменных
    аппаратов с подвижной насадкой / А. В. Дорошенко, В. П. Данько // В книге: Стратегия
    качества в промышленности и образовании Материалы VIII Международной конференции. – С. 71-74.
11. Gavrilenko, V. N. Новая технология изготовления стеновых камней из газобетона /
    V.N. Gavrilenko, V.P. Danko // Обладнання та технології харчових виробництв. Збірник
    наукових праць. 1999. – № 3. – С. 246-250.