2150

тилятора 2 проходит воздушный фильтр 1, слой зернистого адсорбента 8 в аппарате 3 и через теплообменник 7 удаляется наружу. Подача воды в теплообменник 7 в холодный период года не производится.

Внутренний воздух, проходя слой адсорбента 8, отдает ему водяные пары и в осушенном состоянии удаляется в атмосферу, наделяя адсорбент возможностью увлажнять поток нагретого наружного воздуха.

Таким образом, в холодный период года аппарат 3 работает как увлажнитель наружного воздуха за счет осушения внутреннего воздуха.

Способ разработанного монтажа узлов на шарнирной раме позволяет не монтировать дополнительных рециркуляционных воздуховодов, соответственно, не повышать аэродинамическое сопротивление воздушной сети и не применять дополнительную систему воздушных регулировочных клапанов, т.е. не завышать тип (марку) вентилятора, следовательно, способствует снижению материалоемкости, расхода электрической энергии и стоимости кондиционера.

Схема обработки воздушного потока в холодный период на I-d-диа- грамме влажного воздуха приведена на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Схема обработки воздуха в разработанном кондиционере в холодный период года

Физический смысл обозначенных отрезков на рис. 4.16 следующий: НК – нагрев наружного воздуха в воздухонагревателе 5; КП – увлажнение нагретого наружного воздуха в увлажнителе 3;

ПВУ – изменение параметров приточного воздуха в помещении.

Как видно из приведенного выше, разработанная конструкция кондиционера и способ его монтажа обеспечивают круглогодичную эксплуатацию.

С помощью разработанного кондиционера можно создавать и поддерживать необходимые (оптимальные) параметры приточного воздуха в теплый и холодный периоды года [43, 123, 164, 165], а также осуществлять

161

подачу приточного воздуха в помещение и удалять воздух, содержащий вредности (избыток теплоты, водяных паров), из помещения при непрерывном режиме работы. Кондиционер обеспечивает необходимый массообмен с окружающей средой.

Достоинствами разработанного кондиционера и способа его монтажа являются:

–отсутствие холодильной машины, например, компрессионного типа с экологически опасными холодильными агентами [13, 47, 53, 163];

–снижение материалоемкости;

–уменьшение расхода электрической энергии;

–снижение стоимости устройства.

В соответствии с информацией, приведенной в разд. 4.2г, определим зависимость d f (N,W ) для разработанного кондиционера с адсорбци-

онным слоем силикагеля.

Используя методологию расчета высоты твердого сорбционного слоя (разд. 2.4), проведем численный эксперимент по уточнению зависимости глубины осушения воздуха от режимных параметров процесса.

Построим процесс осушения воздушного потока на I-d-диаграмме влажного воздуха, на которой нанесены изолинии равновесного влагосодержания силикагеля. Фрагмент данной диаграммы приведен на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Фрагмент модифицированной I-d-диаграммы влажного воздуха с изолиниями D* равновесного влагосодержания силикагеля

162

Осушение воздуха соответствует изоэнтальпйному процессу, например, он может быть представлен линией НА (рис. 4.17) в зависимости от начальных и конечных параметров воздуха.

Исходные данные для осушения воздуха и режимные характеристики процесса приведены в табл. 4.3.

Т а б л и ц а 4.3 Исходные данные и режимные характеристики осушения воздушного

потока силикагелем в кондиционере роторного типа

На основе данных табл. 4.3 построены графические зависимости глубины осушения воздушного потока от числа единиц переноса. Они представлены на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Зависимость глубины осушения воздушного потока d зернистым слоем силикагеля от числа единиц переноса N

и отношения водяных эквивалентов воздуха и силикагеля W :

о – для W 3,0 10 2 ; ∆ – для W 2,0 10 2

163

способ утилизации позволяет утилизировать скрытую теплоту парообразования всех водяных паров в удаляемом воздухе, а не их часть, как в рассмотренных выше способах (разд. 1.6).

Как показано [104, 165], для Российских регионов, с учетом климатических условий, наиболее оптимальными следует считать утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем.

В соответствии с данными исследованиями разработан и запатентован способ утилизации теплоты удаляемого воздуха с промежуточным теплоносителем на основе сорбционных процессов [10, 17, 170].

Известно [43, 180], что, энтальпия удаляемого воздуха определяется суммой слагаемых, представляющих явную теплоту газов (воздух + газовые примеси) и скрытую теплоту паров (в основном, это водяные пары):

На долю водяных паров приходится основная часть теплоты, содержащейся в воздухе. Разумеется, эффективность утилизации теплоты будет возрастать с увеличением степени конденсации водяных паров.

В известных установках утилизации (разд.1.6), работа которых основана на процессе теплопередачи, полная конденсация водяных паров, содержащихся в воздухе (абсолютное осушение), возможна только при охлаждении воздуха до абсолютного нуля (на I-d-диаграмме кривая полного на-

сыщения φ = 100 % пересекает ось энтальпии I при t 273 oC ) [60, 180],

что, осуществить практически не реально.

Применяя сорбцию водяных паров на твердых сорбентах, среди которых наиболее предпочтительным является силикагель [24, 98, 128], можно выделить скрытую теплоту парообразования всех водяных паров, содержащихся в воздухе, в виде теплоты фазового перехода при комнатной температуре.

Технический результат достигается тем, что воздухоохладитель наделяется функциями адсорбера и теплообменного аппарата (назовем его теп- лообменник-адсорбер). Предварительно в теплообменнике-адсорбере газовый (воздушный) поток пропускают через слой зернистого адсорбента для осушения и выделения теплоты адсорбции [10, 17, 22, 145].

Для отвода полной теплоты адсорбции водяных паров, а также отбора явной теплоты осушенного удаляемого воздуха, в слое адсорбента располагают змеевики для циркуляции промежуточного теплоносителя, или

165

слой адсорбента (гранулированный силикагель) располагают в трубном пространстве кожухо-трубного теплообменника, а в межтрубном пространстве циркулирует промежуточный теплоноситель. Последний, отбирая теплоту от слоя адсорбента, нагревается и передает ее в теплоотдающем теплообменнике наружному воздуху.

Вкачестве промежуточного теплоносителя предлагается использовать водные растворы этиленгликоля или пропиленгликоля 20–30 %-й концентрации, имеющие низкие температуры замерзания [105, 163].

Типовые конструкции – трубные и полочные контактные аппараты, принцип действия которых основан на фильтрации газа через слой неподвижного гранулированного материала (катализатора) применяются при каталитической очистке газов [87, 96, 110, 144].

Активацию (регенерацию) адсорбента предлагается проводить методом вытеснительной десорбции [9, 110], т.е. применяя элемент безнагревного процесса десорбции, механизм которого рассмотрен в разд. 4.2в.

Для обеспечения непрерывности процесса необходимо два теплооб- менника-адсорбера: один работает в режиме утилизации скрытой и явной теплоты воздуха, другой – в режиме активации (регенерации) сорбента.

Через слой силикагеля, подлежащего активации, пропускают удаляемый абсолютно осушенный воздух, полученный в соседнем теплоизвлекающим теплообменнике, перед выбросом его наружу в атмосферу.

Из-за наличия большой разницы парциальных давлений водяных паров

впоровом пространстве адсорбента и продуваемом через него, воздушном потоке молекулы воды интенсивно диффундируют в поток воздуха.

Вотличие от режима безнагревной регенерации адсорбента для продувки будет использоваться весь осушенный поток воздуха, т.к. осушенный воздух не является в данном процессе товарным продуктом, и теплоту адсорбции он уже не содержит.

Согласно уравнению (4.30)

Gd Ga Pd / Pa ,

при равенстве расходов воздушного потока на стадиях адсорбции и десорбции Gd Ga , давления воздушных потоков на данных стадиях также

будут численно равны друг другу Pd Pa и приближены к атмосферному

давлению.

На рис. 4.19 представлена принципиальная схема разработанного способа утилизации теплоты удаляемого воздуха с промежуточным теплоносителем на рис. 4.20 приведена схема адсорбера-воздухоохладителя.

Утилизация теплоты удаляемого воздуха с промежуточным теплоносителем включает следующие стадии (режимы).

166

крыты, клапаны 10, 11, 12, 13 закрыты (рис. 4.19). Работа клапанов осуществляется с помощью системы автоматики.

В адсорбере-воздухоохладителе воздушный поток, проходя через трубное пространство, заполненное слоем адсорбента – силикагеля, осушается за счет сорбции водяных паров до абсолютно сухого состояния. При этом выделяется теплота адсорбции.

Затем воздух подвергается охлаждению с отбором теплоты адсорбции и части явной теплоты с помощью промежуточного теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство аппарата с помощью насоса 4. В это время вентиль 16 открыт, вентиль 17 – закрыт.

Нагретый промежуточный теплоноситель поступает в поверхностный теплообменник-воздухонагреватель 3, где за счет теплопередачи отдает тепло холодному наружному воздуху и, охладившись, снова поступает в межтрубное пространство адсорбера-воздухоохладителя 1 для охлаждения воздушного потока (рис. 4.20, 4.21) и т.д.

Стадия активации адсорбента

Осушенный до абсолютно сухого состояния и охлажденный воздух из адсорбера-воздухохладителя 1 с помощью вентилятора 7 направляют в ад- сорбер-воздухоохладитель 2, находящийся на стадии активации адсорбен-

та (см. рис. 4.19).

При этом воздух проходит снизу вверх через неподвижный слой гранулированного адсорбента, расположенного в трубном пространстве, и вызывает десорбцию молекул воды в поток воздуха за счет разницы парциальных давлений водяного пара у поверхности капилляров силикагеля и в воздухе. Увлажненный воздушный поток из аппарата 2 через клапан 15 выбрасывают в атмосферу.

Продувку воздуха (активацию адсорбента) через слой адсорбента прекращают при достижении минимальной остаточной влажности силикагеля, контролируя, например, влагосодержание выбрасываемого воздуха. После чего клапаны 14, 15 закрывают, а шиберную задвижку 18 открывают, и осушенный воздух из адсорбера-воздухохладителя 1 выбрасывают в атмосферу, минуя адсорбер-воздухохладитель 2.

После достижения равновесного состояния силикагеля в адсорберевоздухоохладителе 1 (индикатором косвенно может служить продолжительность адсорбции или влагосодержание выходящего воздуха из адсорбера) аппарат переводят на стадию активации адсорбента, а удаляемый воздух из помещения направляют в адсорбер-воздухохладитель 2 для осушения и охлаждения.

Для этого клапаны 8, 9, 14, 15 должны быть закрыты, клапаны 12, 13, 10, 11 открыты, также открывают вентиль 17 и закрывают вентиль 16 на линии промежуточного теплоносителя.

В данном цикле удаляемый воздух из помещения проходит снизу вверх слой адсорбента в адсорбере-воздухохладителе 2 за счет работы вентиляторов 6, 7. При этом воздух осушается, выделяя теплоту адсорбции, и за

169

счет подачи промежуточного теплоносителя в межтрубное пространство данного аппарата воздух также охлаждается.

Циркуляция промежуточного теплоносителя через аппарат 2 осуществляется с помощью насоса 4 через открытый вентиль 17. Отобранную теплоту от осушенного воздуха промежуточный теплоноситель транспортирует в воздухонагреватель 3, где передает ее наружному воздуху и вновь поступает для нагрева в межтрубное пространство адсорбера-воздухохладителя 2 и т.д.

Абсолютно осушенный и охлажденный воздушный поток из аппарата 2 направляют в адсорбер-воздухоохладитель 1 для активации адсорбента. С помощью вентилятора 7 этот воздух через клапан 10 поступает в трубное пространство адсорбера 1, где способствует десорбции молекул воды из слоя адсорбента в воздух. Увлажненный воздух из верха адсорбера удаляется через открытый клапан 11 вентилятором 7 в атмосферу.

Для интенсификации процесса десорбции может быть дополнительно установлен вакуум-насос для понижения давления в адсорбере, который находится на стадии активации. Вакуум-насос может быть установлен на общей воздушной линии после клапанов 11 и 15 (на рис.4.19 он не показан).

Таким образом, поочередно, то один, то другой адсорбер-воздухоохла- дитель находятся на стадии адсорбции или десорбции, обеспечивая непрерывность отбора и утилизацию тепла от удаляемого воздуха из помещения.

Изменение параметров воздушного потока при утилизации теплоты удаляемого воздуха наглядно приведено на I-d-диаграмме влажного возду-

ха (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Изменение параметров удаляемого воздуха в процессе утилизации его теплоты на основе твердых сорбентов

170