Несмотря на значительные достижения в области теоретического анализа и численного моделирования процессов теплои массообмена в аппаратах обработки притока систем механической вентиляции и кондиционирования воздуха, из-за сложности таких процессов и большого количества различных факторов, влияющих на их протекание, экспериментальные исследования в данной области являются необходимыми и неизбежными. Такие исследования обычно преследуют две основные задачи: подтверждение теоретических гипотез и получение численных характеристик оборудования либо числовых коэффициентов в зависимостях, структура которых определена теоретическим путём.

Бурный рост рынка коммерческой недвижимости, начавшийся в 2000-х годах, продолжается и сегодня не только в России, но в целом во всём мире. Во многих источниках отмечается, что общая тенденция развития рынка такой недвижимости является устойчивой и долгосрочной. Но в тоже время наблюдается изменение подхода к реализации концепций соответствующих зданий и сооружений.

Например, торгово-развлекательные центры (ТРЦ), торговые центры (ТЦ) строятся и реконструируются с одновременным совершенствованием и усложнением стратегии и технологии продаж для того, чтобы обеспечить удобство покупки товаров и услуг, что, в свою очередь, приводит к более быстрому возврату инвестиций и получению дохода [1]. Современные ТРЦ, ТЦ рассматриваются не только как инструмент приобретения товаров, но и как место для проведения досуга. В работах [2–6] отмечается, что на покупательную способность человека, на его поведение во время совершения покупок и проведения досуга сильное влияние оказывает комфортная внутренняя среда торгового зала, предприятия и др. Ключевым фактором для её создания являются внутренние инженерные системы отопления, вентиляции и кондиционирования.

Кроме того, в соответствии с Федеральным законом от 30 декабря 2009 года №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» должны выполняться требования безопасных условий пребывания и проживания человека при проектировании и возведении объектов недвижимости. Одними из таких показателей являются качество воздуха и микроклимат в помещениях. Для выполнения данных требований, помимо других инженерных решений, разрабатываются и проектируются системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Если говорить именно об общественных зданиях, то следует обращать внимание также на обеспечение и поддержание требуемых параметров микроклимата в пределах оптимального диапазона в соответствии с действующими нормами и правилами (СП 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»).

Системы вентиляции и кондиционирования воздуха (КВ) потребляют достаточно много энергетических ресурсов во время эксплуатации здания или сооружения, а иногда могут являться и основными потребителями энергии в системах инженерного обеспечения зданий и сооружений, на их долю приходится до 75% общего энергопотребления [7–9]. В связи с этим за последние годы возрос интерес к энергоэффективным системам обеспечения микроклимата. Известно очень большое многообразие принципиальных схем обработки воздуха системами КВ [10–13].

В частности, была предложена схема, которая предусматривает использование пластинчатого перекрестноточного рекуператора в тёплый период года для охлаждения наружного (приточного) воздуха [14]. Однако недостатком такой схемы является невозможность использования секции адиабатного увлажнения в холодный период года. В связи с этим авторами была разработана принципиальная схема установки КВ, предусматривающая использование в тёплый период года того же теплообменника и секции увлажнения, которые уже установлены в приточно-вытяжной установке, исходя из потребностей холодного периода, что сокращает дополнительные капитальные затраты на обработку воздуха [15].

Поскольку основной особенностью, отличающей рассматриваемую установку с точки зрения режима функционирования её отдельных элементов, является то обстоятельство, что в тёплый период года воздушный поток проходит через секцию увлажнения в обратном направлении, необходима экспериментальная проверка работы данной секции в таких условиях. В первую очередь нас интересует, будет ли наблюдаться унос капель жидкой влаги с потоком воздуха из-за отсутствия каплеуловителя в передней части секции, которая вследствие переключения становится теперь хвостовой. Данный вопрос имеет значение прежде всего с точки зрения возможности реализации одного из предполагаемых преимуществ предлагаемой схемы обработки приточного воздуха по сравнению с существующими аналогами, а именно увеличения температурной эффективности пластинчатого рекуператора в тёплый период вследствие испарения уносимых капель на поверхности теплообмена и отвода дополнительного количества теплоты, необходимого на испарение, от охлаждаемого потока через поверхность.

В случае, если данный эффект будет наблюдаться, необходимо оценить унос влаги количественно и выявить его зависимость от основных факторов, характеризующих режим работы увлажнителя, в первую очередь от скорости движения воздуха в геометрическом сечении секции, а также, при возможности, от расхода подаваемой в аппарат воды и длины его плёнконесущей насадки. При известной воздухопроизводительности экспериментальной установки Lв [ м³/ч] это позволит определить удельное содержание жидкой влаги в охлаждающем потоке Δd [г/кг] и сопоставить с полученным ранее авторами теоретическим путём [15] предельным уровнем, при превышении которого влага уже перестаёт испаряться из-за недостатка теплоты, подводимой от охлаждаемого потока.

Принципиальная схема опытного стенда изображена на рис. 1, а его конструкция показана на рис. 2.

Экспериментальное определение количества уносимой влаги из сотового увлажнителя при изменении направления воздушного потока. 4/2020. Фото 1

Экспериментальное определение количества уносимой влаги из сотового увлажнителя при изменении направления воздушного потока. 4/2020. Фото 2

Интересующий нас уровень Δd по результатам замеров вычисляется как отношение (Gw/Gв)10³, где Gв — массовый расход подаваемого установкой воздуха [кг/ч], равный произведению Lв на плотность притока ρв = 1,2 кг/м³; Gw — массовый расход уносимой жидкой влаги, улавливаемой каплеотбойником, кг/ч. Его величина определялась непосредственно объёмным методом, по времени заполнения мерной ёмкости.

Регулирование значения Lв в ходе эксперимента производилось путём изменения аэродинамического сопротивления сети, а численная оценка Lв осуществлялась косвенным методом, с помощью измерения скорости потока vв [м/с] в нескольких точках поперечного сечения и её последующего осреднения, после чего Lв = 3600vвfг, где fг — геометрическое сечение установки, м².

Результаты экспериментального исследования представлены в табл. 1.

Экспериментальное определение количества уносимой влаги из сотового увлажнителя при изменении направления воздушного потока. 4/2020. Фото 3

На основе экспериментальных данных составлен график зависимости уноса влаги из секции сотового увлажнителя от относительной скорости vотн, представленный на рис. 3. Величина vотн как:

vотн = vф/vном = Lф/Lном, (1)

где vф — фактическая скорость воздушного потока в геометрическом сечении экспериментальной установки, м/с; vном — номинальная скорость для установок рассматриваемого типа, равная 2,5 м/с; Lф и Lном — соответственно, фактический расход воздуха в экспериментальной установке и его номинальное значение для установок рассматриваемого типа с тем же геометрическим сечением, принимаемое по техническим данным (каталогам) заводов-изготовителей, м³/ч.

Экспериментальное определение количества уносимой влаги из сотового увлажнителя при изменении направления воздушного потока. 4/2020. Фото 4

Для установок рассматриваемого типа vном находится следующим образом:

vном = Lном/(3600fг), (2)

здесь fг — геометрическое сечение выбранной установки, м².

В качестве базовых установок в данном случае были выбраны приточные агрегаты по типу ВЕРОСА-300 фирмы «ВЕЗА», ANR и UTR фирмы Korf, а также Airned фирмы NED.

Положение экспериментальных точек на графике с достаточной точностью описываются следующей аппроксимационной формулой:

Δd = 0,48ln(vотн) + 0,12. (3)

Таким образом, по результатам экспериментального исследования подтверждено наличие уноса влаги из секции увлажнения при изменении направления потока воздуха и получена зависимость величины уноса от относительной скорости воздуха в геометрическом сечении установки. Кроме того, показано, что максимальный уровень фактической величины уноса является величиной того же порядка, что и предельное значение, определённое в [15] из условия способности полного испарения в рекуператоре, и, следовательно, предложенная авторами схема действительно позволяет использовать теплоту испарения капель для повышения температурной эффективности теплообменника. Полученное соотношение для Δd представлено в виде критериального уравнения, связывающего безразмерные параметры, и поэтому имеет достаточно общий вид, пригодный для оценочных расчётов для всех приточных установок исследованных типов.