Способы повышения производительности систем осушения воздуха

В недавнем отчете центра NCEMBT была представлена информация о разработке разнообразных систем кондиционирования с повышенной способностью осушения воздуха. Основной проблемой , обусловившей появление данных систем кондиционирования, являются высокие требования к осушению насыщенного влагой атмосферного воздуха, который поступает в помещение при вентиляции согласно требованиям стандарта "Вентиляция для обеспечения приемлемого качества воздуха" (ANSI / ASHRAE Standard 62 1989, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality) и его поправкам за последние 15 лет.

Благодаря тому, что с 1997 года в справочнике ASHRAE "Базовые сведения" (ASHRAE Handbook - Fundamentals) и в последующих публикациях приводятся подробные данные по погодным условиям, а также методика проведения количественного анализа нагрузки по осушению атмосферного воздуха , значительно упростился расчет потребной производительности в части осушения воздуха в здании - особенно это касается параметров приточного воздуха. В зависимости от требований заказчика на рынке предлагаются разнообразные системы осушения. В данной статье приводится сравнительный анализ простой системы с испарителем непосредственного охлаждения с тремя другими комплексными системами, создаваемыми на ее основе.

Это исследование может применяться для подбора комплексной системы осушения в зависимости от типа здания и климатических параметров.

 

Рис.1: Схемы различных систем и параметры при условиях ARI

На рисунке 1 приводится упрощенная схема системы с постоянным расходом воздуха, а также три альтернативные конфигурации, которые основываются на интеграции испарителя непосредственного охлаждения (DX) со следующими компонентами:

• контурная тепловая труба (HX-DX);
• контурный роторный адсорбционный воздухоосушитель (DD-DX);
• роторный адсорбционный воздухоосушитель, расположенный после испарителя (DX&DD).

Система с тепловой трубой (HX-DX) известна уже много лет, в то время как последние две системы возникли относительно недавно. В первой из комплексных систем тепловая труба располагается по обеим сторонам испарителя непосредственного охлаждения. Охлаждающая часть тепловой трубы предварительно охлаждает воздух, поступающий на испаритель непосредственного охлаждения, и выходящий из него воздух подогревается на нагревающей части тепловой трубы. Этот процесс понижает температуру точки росы и смещает общую производительность из части явного тепла в ее составляющую по части скрытого тепла.

В конфигурации DD-DX воздуховоды охватывают испаритель непосредственного охлаждения. При этом используется концепция, аналогичная тепловой трубе (конфигурация HX-DX), но видоизмененная таким образом, что, используя принцип циклического увлажнения регенерируемого адсорбента, осуществляется предварительное увлажнение воздуха, поступающего на испаритель непосредственного охлаждения, и осушение выходящего из него воздуха, находящегося в состоянии практически полного насыщения. В результате происходит перенос влаги с выхода испарителя непосредственного охлаждения на его вход, где более теплый поток воздуха дополнительно увлажняется. Эта система также известна как цикл Кромера (Cromer Cycle) [5].

Роторый адсорбционный воздухоосушитель можно установить за испарителем (система DX&DD). В этом случае регенерация адсорбента осуществляется теплом, выделяемым на конденсаторе, с последующим сбросом воздушного потока в атмосферу.

В последних двух из рассматриваемых систем преимущество адсорбционного осушителя (особенно в системе DX&DD) заключается в том, что в процессе адсорбции могут достигаться значения точки росы близкие к 0° C и ниже. При этом не происходит обмерзания теплообменника. Адсорбционный осушитель воздуха превращает теплоту, содержащуюся во влаге (скрытую), в явную теплоту той же величины.

В таблице 1 приводятся технические характеристики системы с испарителем непосредственного действия и производных систем. Решающим фактором повышения энергопотребления в комплексных системах осушения воздуха являются потери давления в дополнительном компоненте, в результате чего требуется увеличение мощности вентилятора. При расчете дополнительного энергопотребления вентилятора предполагалось, что объединенный КПД вентилятора и электродвигателя составит 70%. Энергозатраты маломощных электродвигателей для адсорбционных воздухоосушителей медленного вращения полагались пренебрежимо малыми.

 

 

Компоненты системы	Описание	Дополнительная потеря напора (Па) для скорости потока (м/с)
		Расход воздуха (м3/час)/кВт
		170	121	73
DX	Номинальная холодопроизводительность 35,16 кВт испаритель 4-х рядный ARI EER= 10.5, SHR = 0.758 при 5,900 м3/час
HX (в системе HX-DX)	тепловая труба с 3-х рядными теплообменниками (с различной плотностью оребрения) Эффективность 45%	167 2,13	120 1,52	72 0,91
DD (в системе DD-DX)	Адсорбционный ротор толщиной 102 мм с адсорбентом 3-го типа с распределением площади по обрабатываемому и регенерирующему потоку 50/50	350 2,9	320 2,7	260 2,2
DD (в системе DX&DD)	Адсорбционный ротор толщиной 102 мм с адсорбентом 1-го типа с распределением площади по обрабатываемому и регенерирующему потоку 50/50 Температура регенерирующего потока на выходе из конденсатора 46° C	380 4,06	380 4,06	380 4,06

 

 

Использованные модели испарителя непосредственного охлаждения (DX) и тепловой трубы (HX) являются прямой адаптацией известной модели EnergyPlus DX , где номинальная производительность, отношение явной теплоты к общей, коэффициент полезного действия и степень энергетической эффективности соответствуют стандарту Института по кондиционированию воздуха и холодильной технике (ARI Standard 210 / 240-2005, Unitary Air-Conditioning and Air-Source Heat Pump Equipment), а также номографическим данным для расчета производительности и коэффициента полезного действия в условиях, отличных от стандартов института ARI. Диапазон применимости данной модели испарителя - от 33,6 до 67,2 л / с на кВт, но были получены приемлемые показатели до 20,2 л / с на кВт.

Распределение явной и скрытой теплоты определялось при помощи отношения явной теплоты к общей (по стандарту института ARI) и отношению значения точки росы к фактору байпасирования. Данный подход аналогичен расчету эффективности по числу единиц переноса (NTU-effectiveness) в базовой модели теплообменника EnergyPlus "воздух-воздух", который использовался для моделирования тепловой трубы. Эти расчеты производились в соответствии со стандартом института ARI 1030 2005 "Оценка производительности теплообменников типа "воздух-воздух" для вентиляционных и нагревательных приборов с рекуперацией тепла" (Performance Rating of Air-To-Air Heat Exchangers for Energy Recovery Ventilation Heat Equipment). Данные по эффективности определялись при 100% и 75% номинального воздушного потока с целью оценки производительности в расширенном диапазоне от 50% до 130% номинального воздушного потока. Совмещение моделей EnergyPlus испарителя непосредственного охлаждения DX и тепловой трубы HX позволило рассчитать их совокупную производительность в системе HX-DX.

От производителя оборудования получена информация, что адсорбционные осушители воздуха, используемые в системах DD-DX и DX&DD, оснащаются роторами, имеющими характеристики, соответствующие типу 3 изотерм Брунауэра, моделирование которых не предусмотрено известными программными средствами, включая EnergyPlus.

В связи с этим первоначально предполагалось моделирование работы адсорбционного осушителя методом конечных элементов. Конечно-разностная программа моделирования разрабатывается с учетом ее совместимости с системой ввода-вывода программы EnergyPlus, что позволит в дальнейшем интегрировать разработанные модули в состав программы EnergyPlus. Однако к настоящему времени моделирование адсорбционных осушителей с изотермами типа 3 не завершено.

Поскольку разработка соответствующих номограмм также к настоящему времени не завершена автором, в предварительном порядке использована аппроксимация данных, полученных с помощью поставляемой фирмой-производителем программы подбора адсорбционных осушителей с изотермами типа 1 в расчете на использование тепла, снимаемого на конденсаторе с температурой воздушного потока 46° С. Указанная аппроксимация во взаимодействии с программой EnergyPlus, моделирующей DX, обеспечила расчеты системы DX&DD. По результатам общения с другой фирмой-производителем , эмпирическая модель адсорбционных осушителей с изотермами типа 3, основанная на имеющихся экспериментальных данных, была также использована в комбинации с моделью EnergyPlus DX, что позволило произвести расчеты системы DD-DX.

Для сравнительной оценки производительности комплексных систем осушения воздуха были использованы приведенные ниже показатели, соответствующие промышленным стандартам по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха (Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC):

• коэффициент полезного действия (Coefficient of Performance, COP) определяет общую эффективность системы в безразмерном виде как отношение общей холодопроизводительности к энергопотреблению в единицу времени;
• доля явного тепла (Sensible Heat Ratio, SHR) определяет процент общей холодопроизводительности по явному или скрытому теплу (1-SHR);
• точка росы аппаратная (Apparatus Dew-Point, ADP) - температура, определяющая достигаемый уровень влажности. Она определяет, сможет ли система выдержать скрытую нагрузку без повышения расхода воздуха, который необходим по явному теплу. В данной статье мы будет разделять CDP - температуру точки росы на выходе из теплообменника DX, и SDP - температуру точки росы на выходе из всей системы, включая добавочный компонент системы осушения.

В основе всех трех систем комплексного осушения воздуха лежит простой испаритель непосредственного охлаждения (DX). Он необходим либо для охлаждения воздуха, либо для снижения фактического значения энтальпии в системе, в то время как дополнительные компоненты призваны перевести часть производительности теплообменника из явного тепла в скрытое, тем самым эффективно снизив соответствующую долю явного тепла. Итак, основной проблемой становится поиск наиболее эффективного способа перевода производительности по явному теплу в производительность по скрытому теплу.

 

Рис.3: Рабочая область системы осушен

На рис.3 приводится иллюстрация процессов перевода производительности по явному теплу в производительность по скрытому теплу в форме зависимости коэффициента полезного действия (COP) от доли явного тепла (SHR) с выделением зоны действия теоретически возможных способов повышения производительности систем осушения воздуха. График рассчитан для кондиционера с обычным испарителем непосредственного действия (DX), коэффициент полезного действия (COP) которого (учитывая работу вентилятора на испарителе) составляет 3,08, что соответствует степени энергетической эффективности (Energy Efficient Ratio, EER), равной 10,5, а доля явного тепла (SHR) составляет 0,758. Указанное является стандартными значениями ARI для автономного промышленного оборудования. Параметры ARI приводятся при значениях температуры воздуха на входе 26,7° С и влагосодержании 11,2 г / кг в условиях охлаждения конденсатора атмосферным воздухом, имеющим температуру 35° С. Следует обратить внимание, что, поскольку в стандарте ARI влагосодержание атмосферного воздуха не определено, то при расчете системы DX&DD в регенерирующем потоке адсорбционного осушителя оно принято равным 15,7 г / кг.

На графике изображены две линии , исходящие из единой точки. Изогнутая линия характеризует систему DX, в которой для снижения доли явного тепла используется возврат тепла, снимаемого на конденсаторе, который устанавливается непосредственно за испарителем. Оборудование такого типа предлагается рядом производителей климатического оборудования. При приближении кривой к вертикальной оси ее предельное состояние отражает характеристики стандартного осушителя воздуха (доля явного тепла, SHR = 0), в котором коэффициент полезного действия (COP) приблизительно равняется 0,8. Данная точка соответствует нижнему пределу рассматриваемых показателей для любой комплексной системы осушения воздуха.

Горизонтальная пунктирная линия представляет собой идеальный сценарий , при котором изменение пропорционального отношения явной и скрытой производительности происходит без снижения коэффициента полезного действия. В реально существующей системе невозможно достичь подобного уровня показателей путем модифицирования системы с испарителем непосредственного действия, характеристика которой представлена на графике точкой стандарта ARI. Тем не менее, реальные системы, производительность которых приближается к пунктирной линии, являются предпочтительными и могли бы служить основой разработки комплексных систем осушения воздуха. Область, ограниченная на рис.3 осью коэффициента полезного действия COP, горизонтальной прямой идеальной производительности (пунктирная линия) и кривой, соответствующей системе с возвратом тепла, снимаемого на конденсаторе, определяет зону действия теоретически возможных способов повышения производительности комплексных систем осушения воздуха.

(Анализ при стандартных условиях института ARI.)

Ниже приводится сравнение четырех систем - их коэффициентов полезного действия COP, холодопроизводительности и значения температуры точки росы на выходе из теплообменника или температуры точки росы на выходе из системы (CDP / SDP).

 

Рис.4: COP систем осушения при условиях ARI

На рис.4 в пределах указанной выше зоны действия теоретически возможных способов повышения производительности комплексных систем осушения воздуха изображены кривые коэффициентов полезного действия COP для четырех рассматриваемых систем при стандартных условиях ARI и трех уровнях расхода воздуха (м3 / час / кВт). На рис.1 приводятся подробные характеристики состояний в определенных точках на входе и выходе каждого компонента системы производительностью 170 (м3 / час) / кВт. По точкам на рис.4, построены соответствующие кривые, определяющие эффективность рассматриваемых комплексных систем осушения воздуха в сравнении с обычным испарителем непосредственного действия. Как и ожидалось, снижение расхода воздуха на испарителе непосредственного действия (DX) является первым этапом для снижения доли явного тепла при малых потерях коэффициента полезного действия. Установка контурной тепловой трубы (HX-DX) или адсорбционного воздухоосушителя (DD-DX) обеспечивает сопоставимое снижение доли явного тепла путем дополнительной обработки воздуха с аналогичным снижением коэффициента полезного действия по причине увеличенного энергопотребления.

 

Рис.2а: Лучи процессов на I-D диаграмме в соответствии с рис.1

Установка адсорбционного воздухоосушителя после испарителя непосредственного действия с регенерацией сорбента воздушным потоком, выходящим из конденсатора (DX&DD) позволяет максимально снизить долю явного тепла, но это происходит в ущерб COP. По сравнению с остальными из рассматриваемых систем, где доля явного тепла прямо пропорциональна расходу воздуха, в этой системе зависимость обратно пропорциональная (см. рис.4). При работе адсорбционного воздухоосушителя его производительность (произведение разности влагосодержания на входе и выходе и общего расхода воздуха) снижается, несмотря на понижение относительной влажности на выходе из устройства при уменьшении расхода воздуха. Снижение производительности по осушению также взаимосвязано со снижением доли явного тепла. В результате рост производительности по явному теплу и снижение доли скрытого тепла повышает SHR при уменьшении расхода воздуха.

 

Рис.2b: Лучи процессов на I-D диаграмме в соответствии с рис.1

Психрометрический анализ параметров воздуха в различных точках процесса (рис.1) позволяет сделать следующие выводы:

При эффективности тепловой трубы 45% от холодопроизводительности испарителя DX в системе HX-DX на охладителе HX обеспечивается снижение температуры сухого термометра на 6,7° C.

Для системы DD-DX на адсорбционном роторе DD при постоянной энтальпии влагосодержание снижается на 1,4 г / кг, при этом температура точки росы снижается на 2,3° C.

 

Рис.2с: Лучи процессов на I-D диаграмме в соответствии с рис.1

Согласно информации фирмы-производителя, использующей контурные адсорбционные осушители воздуха, данные роторы предназначены для отвода 64,8 мг влаги, что представляет собой требуемый уровень осушения воздуха на выходе из системы. Если рабочие процессы в системе с тепловой трубой проходят при постоянном уровне относительной влажности, то процессы в адсорбционном осушителе - при постоянной энтальпии. Упрощенные психрометрические графики этих процессов на рис.2b и 2c позволяют сравнить лучи процессов для систем HX-DX и DD-DX.

На психрометрической диаграмме (рис.2a) представлены лучи процессов для систем DX и DX&DD. Установка адсорбционного воздухоосушителя за испарителем непосредственного действия позволяет интенсифицировать осушение воздуха на выходе из теплообменника более чем на 2,1 г / кг. При этом имеет место более значительное повышение температуры, чем этого следовало бы ожидать при постоянстве энтальпии. Данное обстоятельство объясняется наличием нагрева регенерирующего потока и теплопередачей. Указанное является причиной снижения COP, особенно при повышенном расходе воздуха, когда производительность по осушению максимальна. При этом уместно напомнить, что моделирование системы DX&DD (испаритель непосредственного охлаждения с адсорбционным осушителем воздуха) осуществлялось в предположении использования адсорбционного осушителя, характеристики которого соответствуют типу 1 изотерм Брунауэра. Использование адсорбционных осушителей с характеристиками по типу 3 изотерм Брунауэра может сократить повышение температуры благодаря уменьшенному значению теплоты адсорбции.

 

Рис.5: Производительность систем осушения при условиях ARI

На рис.5 представлен график холодопроизводительности четырех систем при стандартных рабочих условиях ARI для трех значений расхода воздуха. Во всех системах холодопроизводительность прямо пропорциональна расходу воздуха, так как в системах с охладительными теплообменниками имеет место снижение холодопроизводительности при снижении точки росы агрегата. На психрометрической диаграмме кривая насыщения становится более плавной в области низких температур точки росы, в результате чего при снижении температуры точки росы эффект снижения скрытой теплоты становится менее выраженным. Система DX&DD не столь подвержена данному эффекту, поскольку адсорбционный осушитель, установленный за испарителем, отводит дополнительное количество влаги благодаря процессу адсорбции, протекающему независимо от испарителя непосредственного действия. Еще раз следует напомнить, что, как указывалось в предыдущем разделе (COP), доля отводимого тепла в системе DX&DD обратно пропорциональна расходу воздуха.

 

SDP и CDP
расход воздуха,	DX		HX-DX		DD-DX		DX-DD
(м3/час)/кВт	SDP	CDP	SDP	CDP	SDP	CDP	SDP	CDP
170	13	13	11	11	11	14	9	13
121	11	11	9	9	9	11	7	11
73	6	6	2	2	1	5	-1	6

Как уже отмечалось ранее, адсорбционные осушители и процесс адсорбции, протекающий в них, обладают неоспоримым преимуществом - температура точки росы в них может достигать 0° С и ниже без обмерзания, что обычно имеет место при конденсации влаги на испарителе при столь низких значениях температуры точки росы.. На рис.6 представлены графики температуры точки росы после испарителей и на выходе систем. Для систем DX и HX-DX значения CDP и SDP одинаковы. При добавлении к испарителю непосредственного охлаждения (DX) контура роторного адсорбционного осушителя (DD-DX) значения SDP могут быть на 2,2 3,9° C ниже, чем значения CDP, что обусловлено адсорбцией после испарителя. Аналогично для системы DX&DD значения SDP на 3.9 6.1° C ниже значений CDP за счет адсорбции на роторе осушителя.

 

Рис.6: Температура точки росы при условиях ARI

Опасность обмерзания испарителя имеет место при минимальном расходе воздуха 73 (м3 / час) / кВт. Теплообменник испарителя в системах DX, DD-DX и DX&DD работает при значении CDP выше 4,4° C, в то время как испаритель HX-DX принципиально может обмерзать при температуре 2° C. Однако, на практике системы осушения в ряде случаев работают при таких значениях CDP там, где уместно применение систем DX. В нормальных же условиях эксплуатации, как правило, предусматривается их функционирование при значениях CDP 7° C и выше.

 

Рис.7: COP различных систем при 100% подаче свежего воздуха и расчетной DB

Чтобы повысить значение CDP для DX в системе HX-DX можно было бы уменьшить эффективность тепловой трубы (регулировкой наклона или при помощи иных мер). В результате SHR увеличится, а COP и общая производительность системы останутся без изменений. При использовании системы DD-DX воздух может быть подогрет примерно до 8° C за счет тепла, снимаемого с конденсатора. При этом повышается SHR и существенно снижаются COP и общая производительность системы DD-DX. В системе DX&DD с установленным после испарителя адсорбционным ротором обычно применяются традиционные для испарителей средства предотвращения обмерзания теплообменников.

Кроме условий ARI были проанализированы 10 других режимов работы 4 х систем при различных расходах воздуха. Эти режимы включают следующие условия: 100% наружного воздуха - OA, смешение (50% и 15% OA) - MA (Mixed Air), 100% вытяжного воздуха (RA) при 24° C и 50% RH. Параметры наружного воздуха взяты исходя из

Рис.8: Холодопроизводительность различных систем при 100% подаче свежего воздуха и расчетной DB

3 х стандартных условий, характерных для влажного климата:

• Расчетная температура сухого термометра (Dry Bulb, DB) 34° C, влагосодержание 15,7г / кг;
• Расчетная точка росы (Dew Point, DP) при влагосодержании 20,0 г / кг, Т=28° C;
• Расчетная частичная скрытая тепловая нагрузка (Part Load, PL) [12] при влагосодержании 15,7 г / кг и Т=24° C;

 

Рис.9: COP различных систем при 100% подаче свежего воздуха и расчетной DP

Рассмотреть все полученные результаты в рамках данной статьи не представляется возможным. Тем не менее, для оценки условий работы рассматриваемых систем осушения на качественном уровне можно обратиться к графикам, приведенным на рис.7 - 12.

Для режимов полной рециркуляции и 15% наружного воздуха кривые производительности практически не отличаются и аналогичны условиям ARI, поэтому эти графики здесь не рассматриваются. Больший интерес представляют режимы работы с 50 и 100% свежего воздуха, особенно режим OA.

 

Рис.10: Холодопроизводительность различных систем при 100% подаче свежего воздуха и расчетной DP

Характеристики COP и холодопроизводительности различных систем при 100% подаче свежего воздуха (при расчетных условиях DB) представлены на рис.7 и 8. Производительность всех систем увеличивается при повышении температуры DB на входе (и увеличении влагосодержания).

Система DX&DD ведет себя своеобразно. При данных рабочих условиях она демонстрирует умеренное пропорциональное снижение скрытой и явной производительности при уменьшении расхода воздуха. При этом имеет место лишь небольшое изменение SHR.

 

Рис.11: COP различных систем при 100% подаче свежего воздуха и расчетной PL

При 100% подаче свежего воздуха (OA) для условий DP рабочие характеристики сильно отличаются между собой (рис.9 и 10) . В результате конденсации на тепловой трубе до испарителя DX в системе HX-DX снижается значение SHR. Рабочие точки системы DX, HX-DX и DD-DX в рассматриваемых условиях для различных расходов воздуха плотно сгруппированы по значениям COP и холодопроизводительности, что обусловлено в этих системах доминирующим влиянием высокой влажности.

Однако система DX&DD и здесь ведет себя специфически. В этих условиях при уменьшении расхода воздуха она обеспечивает значительно большее снижение скрытой производительности

Рис.11: COP различных систем при 100% подаче свежего воздуха и расчетной PL

по сравнению с явной, в результате чего имеет место существенное изменение SHR. Это происходит из-за того, что, хотя система DX&DD и позволяет получить более низкие значения DP, общий влагосъем сильно снижается с уменьшением расхода воздуха.

Рабочие характеристики, изображенные на рис.11 и 12 для 100% наружного воздуха и расчетного значения PL аналогичны кривым, представленным на рис.9 и 10.

Дополнение обычной системы осушения DX компонентами HX и DD приводит к существенному увеличению производительности системы осушения благодаря снижению SHR и увеличению скрытой тепловой нагрузки. Проанализировано влияние на эффективность осушения контурной тепловой трубы (HX), контурного адсорбционного осушителя (DD) и адсорбционного ротора, устанавливаемого за испарителем с подогревом регенерирующего потока за счет тепла, снимаемого на конденсаторе (DX&DD). Применение перечисленных компонентов позволяет снизить обычные для системы DX значения SHR при стандартных условиях ARI с 0.75 до 0.5 и ниже при небольших потерях COP и холодопроизводительности. Эти три альтернативные системы по своим рабочим характеристикам приближаются к идеальной системе охлаждения со смещением явной производительности в сторону скрытой составляющей без снижения общей эффективности. По своим показателям они существенно превосходят широко известные, но недостаточно эффективные системы с возвратом тепла, снимаемого на конденсаторе.

"ИНТЕХ" - инжиниринговая компания. На нашем ресурсе air-ventilation.ru Вы можете узнать необходимую информацию и получить коммерческое предложение.

Отзывы о компании ООО "ИНТЕХ":

Информация, размещенная на сайте, носит ознакомительный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой.