Схема ( 1 и 2 — рассмотрен вариант альтернативной солнечной системы кондиционирования воздуха — АСКВ), состоит из осушительной части и блока испарительного охлаждения воды или воздуха. Раствор абсорбента циркулирует на линии абсорбердесорбер (регенератор), обеспечивая непрерывность цикла осушения воздушного потока.

В десорбере тепло, необходимое для регенерации абсорбента, обеспечивается гелиосистемой с плоскими солнечными коллекторами 6 (7, 8, 9 — солнечные коллекторы, бакаккумулятор, дополнительный греющий ист. соответственно). Охлаждение абсорбера обеспечивается, вентиляторной градирней. В качестве основных элементов приведенные схемы включают абсорбер 3 (осушитель воздуха), десорбер 4, предназначенный для солнечной регенерации абсорбента, испарительный охладитель 1 и систему регенеративных теплообменников, необходимость в которых продиктована мизерными располагаемыми температурными напорами. Воздушный поток состояния А (например, свежий наружный воздух) при осушении в абсорбере 3 снижает влагосодержание xg и температуру точки росы tdp, что обеспечивает значительный потенциал охлаждения в испарительном охладителе.

Рассматриваемым системам присущи характерные проблемы: значительные габариты тепломассообменной аппаратуры, в связи с мизерными движущими силами циклов, необходимость обеспечить малые сопротивления движению потоков через тепломассообменные аппараты (ТМА), что, с учетом значительного количества аппаратов, входящих в систему, представляет известные трудности, и правильный выбор рабочего тела (абсорбента) и греющего источника для регенерации абсорбента и, таким образом, поддержания непрерывности цикла. В отношении последнего чрезвычайно перспективно использование энергии солнца.

Снижение габаритов и сопротивления аппаратуры решается использованием тепломассообменной аппаратуры пленочного типа с многоканальными насадочными структурами, что обеспечивает требуемую компактность. Дополнительная интенсификация циклов обеспечивается использованием регулярной шероховатости рабочих поверхностей [4].

Переход к ТМА совмещенного типа, когда в пределах одного аппарата реализуются сразу несколько циклов, базовой и вспомогательный, значительно сокращает число ТМА в разработанных схемах ( 1, относительно аналогичных схем, разработанных ранее, где каждый этап технологического цикла последовательно осуществляется в своем типе аппарата [1–3, 6–9].

Примером такого рационального совмещения основных и вспомогательных циклов в едином ТМА могут служить все основные аппараты схемы: непрямой испарительный охладитель НИО ( в охладительной части АСКВ, абсорбер ( и десорбер ( в осушительной части схемы.

В НИО основным является цикл охлаждения основного воздушного потока при неизменном влагосодержании ( , реализуемый в «сухой» части аппарата ( 3В). Этот цикл обеспечивается испарительным охлаждением воды, рециркулирующей через каналы в «мокрой» части НИО. Охлажденная водяная пленка отводит тепло от основного воздушного потока через тонкую разделительную стенку. Оба цикла протекают одновременно в одном многоканальном аппарате НИО, но в его чередующихся каналах — 3 и 4.

В абсорбере ( основным является цикл осушения пленкой абсорбента воздушного потока, поступающего в дальнейшем в охладительную часть АСКВ. Во второй части аппарата вспомогательный воздушный поток, взаимодействуя с водяной пленкой, обеспечивает отвод теплоты абсорбции от базовой рабочей части ТМА — 3А и Б. Близкая конструкция абсорбера с внутренним испарительным охлаждением описана в работе австралийских исследователей [11] и в работе Lowenstein [3].

Десорбер устроен совершенно аналогично абсорберу. циклы десорбции в нем протекают в регенеративной (восстановительной) части аппарата при взаимодействии стекающей пленки абсорбента (слабый раствор) и воздушного потока, выносящего из аппарата влагу, а подвод необходимого для десорбции тепла обеспечивается горячей водой, поступающей во внутреннюю полость галет. В рассматриваемом варианте схемы эта вода поступает из гелиоситемы 6 с солнечными коллекторами 7 и бакомтеплоаккумулятором 8.

абсорбер с внутренним испарительным охлаждением — четырехпоточный аппарат, в нем два воздушных потока, базовой и вспомогательный, и два жидкостных, через испарительную часть абсорбера рециркулируют вода и абсорбент. Внутреннее испарительное охлаждение абсорбера обеспечивает изотермичность (приближение) и высокую эффективность цикла абсорбции, позволяя существенно уменьшить расход абсорбента и за счет этого снизить затраты на его регенерацию, повышая общий КПД системы на 30–35 % [3].

НИО и десорбер — трехпоточные аппараты. В НИО взаимодействуют базовой и вспомогательный воздушные потоки и вода, а в десорбере — восстанавливаемый абсорбент и воздушный поток; вода, поступающая в чередующиеся каналы десорбера, обеспечивает равномерный подвод тепла для десорбции. Схема контакта воздушных потоков в НИО поперечноточная (между вспомогательным воздушным потоком и стекающей водяной пленкой — противоточная), в осушительной части десорбера — поперечноточная, м. воздухом и стекающей пленкой абсорбента.

Поперечноточная схема движения контактирующих потоков обеспечивает удобство взаимной компоновки многочисленных ТМА в едином блоке оборудования, снижая количество необходимых «разворотов» воздушных потоков (обеспечивая «линейность» схемы сквозного движения потоков воздуха через ТМА), что хорошо видно на приведенных схемах, и особенно на Это позволяет уменьшить число вентиляторов в схеме и снизить их энергопотребление.

Сложность конструкции ТМА совмещенного типа порождает дополнительные технологические задачи: необходимость разводки всех потоков и герметизации рабочих полостей аппаратов. Но в целом аппараты НИО, АБР и ДБР устроены идентично и содержат теплообменные элементы, размещенные внутри аппарата ( , так что базовой и вспомогательный циклы протекают в них одновременно. значит все основные ТМА данной системы могут быть унифицированы, что обеспечивает единство технологических операций при их изготовлении.

Выбор материала для изготовления насадки основан на результатах предварительного исследования [4], где было отмечено, что насадки регулярной структуры РН из листов алюминиевой фольги и полистирола обеспечивают близкие результаты, и несколько лучшие характеристики первой объясняются хорошей смачиваемостью материала. Основываясь на этом результате, были разработаны рекомендации к формованию базового элемента РН для ТМА из пластмассы (поликарбонатных плит многоканальной структуры) с учетом оптимальных геометрических характеристик каналов, определенных в ходе предварительных исследований [4]. Одной из основных идей настоящего исследования является изуч. возможности применения в конструкции пленочных ТМА полимерных материалов (ПМ). Был проведен анализ ПМ, которые могут быть использованы в конструкции ТМА, и показано, что перспективным материалом является поликарбонат. Плита сотового поликарбоната представляет собой два параллельных листа с поперечными перегородками в цельной единой структуре. Температурный диапазон эксплуатации для поликарбоната составляет от –40 до 120 °С, что позволяет использовать его в «открытых» системах, к которым относятся испарительные охладители. Максимальное термическое расширение (при DТ = 80 °С) составляет 2,5 мм/м. ПК устойчив ко многим химическим веществам, включая минеральные кислоты высокой концентрации, многим органическим кислотам, нейтральным и кислым растворам солей, многим жирам, парафинам, насыщенным алифатами и циклоалифатами, кроме метилового спирта. Сотовые плиты из ПК отличаются высокими механическими характеристиками, такими, как твердость и стойкость к ударным воздействиям при длительном содержании на открытом воздухе. Интерес к полимерным материалам для создания ТМА подобных альтернативных систем отмечается в работах [3, 11].

Применительно к аппаратам альтернативных систем разработана многоканальная регулярная насадка РН, содержащая в качестве основного конструктивного элемента сотовые плиты многоканальной структуры из поликарбоната. Внешний профиль (поверхность) поликарбонатной многоканальной плиты имеет регулярную шероховатость (РШ) в виде «выступов» или «впадин», характеризующуюся определенной высотой (e) и шагом (p) — Это способствует улучшению распределения водяной пленки, стекающей по наружным поверхностям плит, формированию режима стоячих волн и интенсификации циклов совместного тепломассообмена при испарительном охлаждении. Относительно возможности использования ПМ в ТМА совмещенного типа, где имеет место теплопередача через стенку, разделяющую основные и вспомогательные каналы, следует отметить, что термическое сопротивление тонкой стенки вполне сопоставимо с термическим сопротивлением жидкостной пленки на поверхности листов насадки.

Очевидна перспективность применения солнечной энергии в качестве греющего источника альтернативной системы. Применение различных типов гелиосистем для частичного либо полного обеспечения требуемого температурного уровня регенерации абсорбента в открытом абсорбционном цикле позволяет обеспечить непрерывность цикла. Применение солнечной энергии в качестве греющего источника требует наличия дополнительного дублирующего источника, и его выбор зависит от типа и количества применяемых солнечных коллекторов в гелиосистеме ( 1, позиция . Такой дублирующий ист. представляет собой газовый или электрический бойлер. Дублер периодически подогревает теплоноситель до расчетной температуры регенерации, когда неблагоприятные погодные условия не позволяют обеспечить полную регенерацию абсорбента, опираясь только на солнечную энергию. Он также может работать непрерывно, если рассчитан на использование в комбинации с маломощной гелиосистемой, применяемой только для первичного подогрева теплоносителя.

Естественным шагом в разработке подобных систем является использование для регенерации абсорбента комбинированного греющего источника [7], интегрирующего разнохарактерные источники низкопотенциального тепла. Вклад каждого из применяемых греющих источников и их тип легко варьируется на стадии проектирования установки в зависимости от поставленных перед ней задач, экологоэкономического анализа и данных климатических условий.

В ОГАХ проводится разработка и сравнительные испытания новых типов солнечных коллекторов (СК). Для экспериментального изучения тепловых характеристик образцов СК был создан стенд, который позволял проводить параллельные сравнительные испытания двух различных СК в естественных условиях, при естественном солнечном излучении, как они работали бы в составе реальной гелиосистемы. Испытывались три типа СК: СК с алюминиевым абсорбером и стеклом в качестве прозрачного покрытия (СКА) — традиционный металлический СК с алюминиевым трубным регистром; СКМ с трубным регистром из медных трубок и СКП, полностью изготовленный из полимерных материалов. Испытания подтвердили работоспособность плоского полимерного солнечного коллектора. Его характеристики достаточно близки к характеристикам традиционных СК, а стоимость значительно ниже, что, с учетом значительной требуемой суммарной поверхности СК для обеспечения рабочего режима АСКВ, делает полимерный СК особенно перспективным для создания АСКВ.

Расчетный эксперимент показал, что для обеспечения работоспособности АСКВ требуется уровень температуры греющего источника в диапазоне 60–85 °С, что вполне либо частично обеспечивается гелиосистемой с обычными плоскими солнечными коллекторами, как металлическими, так и полимерными.

Разработанная инженерная методика расчета альтернативных систем АСКВ позволяет, варьируя тип и концентрацию абсорбента, параметры окружающей среды, соотношение расходов (воздуха и абсорбента в осушительном контуре, основного и вспомогательного воздушных потоков в НИО, рециркулирующей воды к вспомогательному воздушному потоку в НИО), определять параметры на выходе из системы и подобрать оптимальный вариант комбинированного греющего источника [7 — 10].

Характерные расчетные результаты приведены на 6 для АСКВ по 1 и 2 с рециркуляцией воздушного потока, покидающего помещение. В качестве абсорбентов в открытых системах обычно используются водные растворы хлористого кальция, хлористого лития, бромистого лития, и многокомпонентные растворы (композиты) на основе указанных веществ. Как показано в предыдущих исследованиях авторов [7–10], наилучшей поглощающей способностью обладает водный раствор бромистого лития. В качестве доб (снижение коррозионной активности раствора, повышение движущих сил цикла абсорбции, расширение участка безопасной работы с учетом явления кристаллизации раствора и пр.) используются LiNO3, ZnCl2, CaBr2, LiI и другие составляющие.

Данные на 6 приведены для раствора H2O + LiBr + ZnCl2 + CaBr2, при концентрации раствора x = 65 % (для параметров наружного воздуха — tГ = 34 °С и хГ = 23 г/кг, заведомо выбранных для самых тяжелых, с точки зрения реализуемой задачи кондиционирования воздуха, районов земного шара — таких городов, как РиодеЖанейро, Сингапур, Майами, Бангкок, Бахрейн).

Схема на 1 построена с учетом использования воздуха, покидающего помещение для регенерации абсорбента в десорбере 4 (D — K, цикл показан в условном сочетании двух циклов: нагрева воздуха D — L и выноса влаги из десорбера L — K, при подвoде к нему тепла из бакатеплоаккумулятора в виде горячей воды состояния О — P). Наружный воздух состояния А осушается в абсорбере (A — E), дополнительно охлаждается в теплообменнике (E — E*) вспомогательным воздушным потоком (цикл E* — G), покидающим НИО (этот поток воздуха состояния G достаточно холодный, но увлажненный и не может быть использован в целях кондиционирования), а затем охлаждается в «сухой» части НИО (E* — B) при неизменном влагосодержании и в состоянии В поступает в помещение. Точка С характеризует состояние воздуха в кондиционируемом помещении.

Внутреннее охлаждение абсорбера, как указывалось выше, позволяет устранить из схемы вспомогательную градирню, охлаждающую абсорбер. цикл испарительного охлаждения во внутренней полости (каналах) абсорбера осуществляется смесью воздушных потоков состояний А и Е (точка Х) на линии Х — I. Внутреннее испарительное охлаждение позволяет повысить изотермичность цикла абсорбции и, следовательно, его эффективность. Крепкий и горячий раствор абсорбента М и слабый и холодный раствор N обмениваются теплом в теплообменнике 5.

Схема на 2 построена с учетом осушения воздуха, покидающего помещение, и последующего использования в качестве вспомогательного воздушного потока в НИО. В целом протекание рабочих циклов аналогично описанному выше, но температурный уровень в НИО резко смещается в сторону низких температур и наружный воздух в НИО не только охлаждается, но и осушается (А — А* — В). Этот конденсат может здесь использоваться для частичного погашения затрат воды на подпитку рециркуляционного контура НИО во влажной части. Это весьма соблазнительное решение, поскольку подаваемый в помещение воздух вообще не вступает в контакт с осушителем (абсорбентом), что важно по гигиеническим требованиям, но требуемый температурный уровень регенерации абсорбента в десорбере при этом растет.

Эту схему предпочтительно строить на непрямом испарительном охлаждении воды в НИО и последующей подаче этой воды в вентилируемые охладители, расположенные непосредственно в помещении. На схеме по 2Б представлен вариант решения с автономной градирней на потоке охлажденного в НИО воздуха, что, в принципе, позволяет получать воду с температурой 3–8 °С. В целях задач именно СКВ можно в НИО охлаждать как воздух, так и воду, автономно подавая эти потоки в помещение.

Она также может служить основой для создания солнечных холодильных систем. цикл десорбции здесь протекает по линии G — L — K, и для него используется вспомогательный воздушный поток из НИО. Такое решение приводит к возрастанию аэродинамического сопротивления на воздушном потоке, покидающем помещение, поскольку он последовательно проходит три различных тепломассообменных аппарата. Видимо, здесь лучше для десорбции использовать наружный воздух. Выбор решения связан с конкретикой решаемой задачи и техникоэкономическим анализом.

В работах [8, 10] авторами, совместно с австралийскими коллегами, были проанализированы экологические преимущества применения полимерного СК по сравнению с традиционным металлическим аналогом СК. Была проведена оценка влияния «цикла жизни изделия» на окружающую среду (программа LCA — life cycle assessment) [8]. Анализировались экологические последствия при извлечении и переработке сырья, производстве изделия, его эксплуатации и переработке отходов по завершению срока эксплуатации с возможностью возврата в производственный цикл материалов и энергии. В исследовании были приняты во внимание девять типов воздействия на окружающую среду на всех стадиях производства и жизни изделия: потенциал глобального потепления, истощение озонового слоя, выбросы кислотосодержащих оксидов, загрязнение водного бассейна, выбросы тяжелых металлов, зимний смог, летний смог, истощение ресурсов энергии и выбросы твердых отходов. Большое значение при оценке имеет процентное содержание материалов в изделии, которые могут быть переработаны после завершения его периода эксплуатации и возвращены в общий цикл производства. Учет экологического влияния позволяет существенно снизить и срок окупаемости продуктов (для СК это составило 3,5 и 1,9 года, соответственно учету экологических показателей). Подобный анализ был выполнен применительно и ко всей АСКВ [10], что показало перспективность таких разработок также и с экологической точки зрения. Близкий результат получен в работе [11] для схемы по 2 (вариант) и полимерного абсорбера совмещенного типа.

Выводы
• В достаточно широком диапазоне начальных параметров воздуха альтернативная система кондиционирования воздуха вполне обеспечивает получ. комфортных параметров воздуха только испарительными методами, не прибегая к парокомпрессионному охлаждению, и может при этом опираться на солнечную энергию, как на базовой греющий источник, обеспечивающий регенерацию абсорбента. Выбор типа солнечного коллектора для компоновки гелиосистемы определяется сложностью решаемой задачи, и, в любом случае, доля солнечной энергии в обеспечении регенерации абсорбента и поддержании непрерывности цикла может и должна быть значительной. Она определяется техникоэкономическим соображениями.

• Уменьшение соотношения расходов осушаемого воздушного потока и абсорбента в абсорбере Gг/Gр приводит к некоторому росту эфф. осушения, но главное — это снижает требуемую температуру греющего источника, что позволяет использовать для регенерации абсорбента гелиосистему с плоскими солнечными коллекторами типа СКМ и СКП, т. е. самый простой и дешевый тип гелиосистем. Это важнее, чем сопутствующий рост энергозатрат на перекачку абсорбента в осушительном контуре.

• Показаны экологические преимущества практического использования полимерных материалов при создании тепломасообменной аппаратуры для альтернативных холодильных систем, которая занимает в них базовой объем и вес [8, 10].

Литература
Lamp P., Ziegler F. European research on solarassisted air conditioning, Int. J. Refrig, 199 vol. 21, № 2.

Hellman H. M., Grossman G. Simulation and analysis of an opencycle dehumidifierevaporator (DER) absorption chiller for lowgrade heat utilization, Int. J. Refrig., 199 vol. 18, № 3.

Lowenstein A. Liquid desiccant airconditioners: An attractive alternative to vaporcompression systems. OakRidge nat. Lab / Proc. Nonfluorocarbon Refrig. AirCond. Technol. Workshop. Breckenridge, CO, US . 06.232 1993.

Дорошенко А. В. Компактная тепломассообменная аппаратура для холодильной техники (теория, расчет, инженерная практика). Докторская диссертация, Одесский институт низкотемпературной техники и энергетики. Одесса, 1992.

Дорошенко А. В., Концов М. М., Поберезкин, А. А. Альтернативные холодильные и кондиционирующие системы с комбинированным греющим источником // Холодильная техника и технология. 200 Вып. 69.

Поберезкин А. А., Смоляная И. А., Дорошенко А. В., Кириллов В. Х. Альтернативные системы кондиционирования воздуха на основе открытого абсорбционного цикла // Холодильная техника и технология. 199 Вып. 64.

INTAS PROJECT, Reference Number: INTAS96173 Alternative Refrigerating, HeatPumping and AirConditioning Systems on the basis of the open absorption cycle and Solar Energy. 1998.

Koltun P., Doroshenko A. V., Poberezkin A. A., Smolyanaya I. A. Simulation of working processes in alternative cooling and airconditioning systems on the basis of the open absorption cycle. 20th International Congress of Refrigeration IIR/IIF. Sydney, 1999.

Дорошенко А. В., Концов М. М., Карачарова И. В. Рабочие вещества открытых абсорбционных холодильных и кондиционирующих систем // Холодильная техника и технология. 200 Вып. 73.

1 Koltun P., Ramakrishnan S., Doroshenko A., Konsov M. Life Cycle Assessment of a Conventional and Alternantive AirConditioning Systems. 21th International Congress of Refrigeration IIR/IIF, Washington, D.C, ICR0140, 2003.

1 JOHN L. McNAB, PAUL McGREGOR. Dual Indirect Cycle AirConditioner Uses Heat Concentrated Dessicant and Energy Recovery in a polymer Plate Heat Exchanger. 21th International Congress of Refrigeration IIR/IIF. Washington, D.C, ICR0646, 2003.