Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Охлаждение воздуха при контакте с естественными источниками холода

(0) (4332)
Опубликовано в журнале СОК №2 | 2014

Представлена математическая модель для расчета термодинамических параметров охлажденного воздуха в процессах тепло- и влагообмена между воздухом и естественными источниками холода (снег, лед) в зависимости от начальной температуры и влажности охлаждаемого воздуха, площади теплообмена и скорости воздушного потока.

Рис. 1. Процесс охлаждения воздуха при соприкосновении со льдом

Рис. 1. Процесс охлаждения воздуха при соприкосновении со льдом

Рис. 2. Зависимость ln(Nu) от ln(Re) по экспериментальным данным

Рис. 2. Зависимость ln(Nu) от ln(Re) по экспериментальным данным

 

Мировая практика использования энергоресурсов ориентируется на увеличение использования нетрадиционных источников энергии и разработку энергосберегающих технологий. Учитывая возросшие требования к микроклимату помещений, потребление энергии системами кондиционирования существенно увеличилось, поэтому назрела необходимость использования экологически безопасных и энергосберегающих технологий.

Сезонная аккумуляция холода в системах кондиционирования зданий с использованием возобновляемого естественного источника холода (снега или льда) является одним из способов уменьшения потребления энергии и экономически выгодным инженерным решением [1]. Территория России обладает огромными запасами холода, который может успешно использоваться в короткий период жаркого лета.

Таким образом, применение аккумуляции холода в системах кондиционирования зданий с использованием снега или льда имеет широкие перспективы развития как энергосберегающая технология. Среди зарубежных стран технология аккумуляции льда и снега для систем кондиционирования воздуха (далее СКВ) наиболее активно применяется и развивается в Японии.

Применение естественного холода в несколько раз снижает затраты электроэнергии на СКВ в теплый период года. В этой статье изложены обобщенные результаты исследований изменения термодинамических параметров воздушного потока при контакте со льдом [1, 2, 3]. Теплообмен с воздухом происходит на границе «воздух–вода», которая образуется на поверхности льда при контакте с теплым воздухом (рис. 1).

За основу математической модели тепломассообмена воздушного потока с поверхностью льда принята модель тепломассообмена воздушного потока с водой, разработанная В.Н. Богословским [4]. Для уравнений тепловых балансов, записанных в дифференциальном виде, приняты условия однозначности — постоянная температура и энтальпия насыщенного воздуха на границе с водяной пленкой, которая образуется на поверхности тающего льда.

Принимая допущение, что при больших скоростях воздуха определяющим фактором является молярный перенос, следовательно, справедливо уравнение Меркеля [4]. Используя уравнения теплового баланса для контактирующих сред, общие дифференциальные уравнения теплои влагообмена воздуха со льдом можно записать в следующем виде, по полной теплоте:

GвdIв = –0,278 × 10–3 βd(Iв – Iнас)dF; (1)

а по явной теплоте:

Gвcвdtв = –0,278α(tв – tнас)dF, (2)

где βd — коэффициент влагообмена, кг/ (с⋅м2); α — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2⋅К); F — площадь поверхности контакта воздуха и льда, м2; I — энтальпия воздуха, кДж/кг; t — температура воздуха, °C; индекс «в» относится к параметрам основного воздушного потока, индекс «нас» к параметрам слоя воздуха на границе со льдом (влажность 100 %, температура 0 °C); Gв — массовый расход воздуха, кг/ч; св — теплоемкость воздуха, кДж/(кг⋅К). Для решения уравнения (1) и (2) принято условие:

Iнас, tнас = const. (3)

В начальный момент соприкосновения воздушного потока с поверхностью льда (x = 0):

Iв = Iво, tв = tво. (4) После разделения переменных и интегрирования уравнения (1) получаем:

где С — произвольная постоянная, определяемая из условия (4). Конечным решением уравнения (1) является:

Аналогично найдено решение и для уравнения (2):

Зависимости (6) и (7) имеют математическую форму уравнения В.Г. Шухова, предложенного им для расчета изменения температуры нефти по длине трубопровода в грунте с постоянной температурой [5], что показывает универсальность теории теплообмена.

Соотношение α к βd зависит от интенсивности теплообмена между воздухом и водой. Например, в работе [6] приводятся эмпирические зависимости для определения соотношения α к βd для турбулентного и ламинарного движения воздуха при теплообмене с водой. При этом отмечается, что при испарении жидкости в условиях турбулентного движения соотношение α к βd с достаточным приближением можно принимать равным величине теплоемкости влажного воздуха, согласно работе [6].

Для определения коэффициента теплоотдачи на границе льда с воздушным потоком выполнен физический эксперимент, аналогичный эксперимент был проведен со снегом [1, 2, 3]. Согласно анализу опытных данных, зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса, для 2000 < Re < 20 000, при контакте с горизонтальной поверхностью льда будет иметь место:

Nu = 0,036Re 1,09 ; (8)

а при контакте с горизонтальной поверхностью снега:

Nu = 0,0046Re 1,27 . (9)

Для определения числа Рейнольдса в качестве характерного размера принята длина контакта потока с поверхностью естественного источника холода x (рис. 1). В графическом виде зависимость ln(Nu) от ln(Re) по экспериментальным данным представлена на рис. 2. Полученные теоретические и экспериментальные зависимости позволяют рассчитать термодинамические параметры охлажденного воздуха (температуру, энтальпию, влагосодержание) в процессах теплои влагообмена между воздухом и естественными источниками холода (снег, лед), в зависимости от начальной температуры и влажности охлаждаемого воздуха, площади теплообмена и скорости воздушного потока.

(0) (4332)
Comments
  • В этой теме еще нет комментариев
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message