ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСШИРЕНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА В ТУРБОДЕТАНДЕРЕ В УСТАНОВКАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

В сложившихся к настоящему времени условиях на территории Российской Федерации развитие различных отраслей промышленности требует снижения себестоимости выпускаемой продукции. Одним из крупных слагаемых себестоимости являются энергозатраты.

При выпуске и хранении любой продукции в цехах и складах должны поддерживаться необходимые параметры микроклимата (регламентируемые температура, влажность, а также содержание в воздухе пыли, аэрозолей и газообразных загрязняющих веществ, в случае если имеет место их выделение).

Функцию поддержания регламентированных параметров микроклимата выполняют системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Как известно, охлаждение является наиболее энергозатратным процессом. В тёплый период года (в некоторых регионах РФ он длится более половины года), системы кондиционирования воздуха производственных цехов берут на себя значительную долю потребляемой электрической энергии. А используемые хладагенты и антифризы в процессе эксплуатации могут привести к загрязнениям окружающей среды, как при аварии, так и в процессе планового обслуживания при их замене.

Снижение затрат на поддержание микроклимата в промышленных зданиях несомненно отразится на себестоимости и, как следствие, на цене товара, что будет вызывать интерес у потребителя, а выросший спрос у производителя. Интерес правительства обусловлен возросшими налоговыми поступлениями, а также Федеральным законом от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 13.07.2015) "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" [6].

Кондиционирование воздуха в производственных, общественных и жилых помещениях должно обеспечивать такие микроклиматические условия, которые бы способствовали сохранению здоровья людей, повышению производительности их труда, улучшению качества продукции, интенсификации производственного процесса.

Темпы и масштабы развития кондиционирования воздуха велики, поэтому особую важность приобретает совершенствование систем кондиционирования воздуха (СКВ), которое существенно повышает эффективность их применения. Наибольшее развитие до настоящего времени получили СКВ с парокомпрессионными холодильными машинами, сравнительно просто обеспечивающие производительность в широком диапазоне и имеющие относительно невысокую удельную энергоемкость при стандартных параметрах окружающей среды и типовых условиях применения.

Дальнейший научно-технический прогресс в кондиционировании воздуха связан с необходимостью решения новых задач при большом числе разнообразных технико-экономических требований, главные из которых:

• соответствие технологическому назначению;
• снижение энергозатрат и эксплуатационных расходов;
• уменьшение материалоемкости и габаритных размеров систем и оборудования.

Одна из тенденций в развитии СКВ — совмещение различных функций, выполняемых рабочим веществом. В СКВ с воздушной турбохолодильной машиной (ВТХМ) атмосферный воздух одновременно является рабочим веществом ВТХМ, хладоносителем и рабочим веществом СКВ.

Основным элементом ВТХМ является расширительная машина — турбодетандер (ТД). Турбодетандер выполняет роль основного генератора холода. Поэтому надежность и эффективность его работы во многом определяют технико-экономические показатели ВТХМ, а следовательно, и всей СКВ. Отличительной особенностью работы ТД в составе СКВ является его работа в условиях конденсации и кристаллизации водяных паров. Наличие в потоке жидкости и кристаллов способно привести к повышенным газо- и термодинамическим потерям, неустойчивой работе машины и эрозионному износу проточной части. Поэтому вопросы, связанные с определением газодинамических параметров потока вдоль проточной части с оценкой области выпадения и количеством выпадающих частиц и их дальнейшим ростом, относятся к числу наиболее актуальных при разработке СКВ на базе воздушных турбохолодильных машин [2].

В настоящее время разнообразные виды турбодетандеров уже зарекомендовали себя и успешно применяются в отрасли транспортировки газа для получения электрической энергии, расходуемой на собственные нужды газораспределительных станций, при редуцировании, обеспечение устойчивого получения отрицательных температур в криогенной технике и в установках высокого давления, предназначенных для получения жидких кислорода и азота [5].

Атмосферный воздух находит очень широкое применение в современной технике как рабочее вещество или технологическая среда. В процессах обработки воздуха, при снижении температуры, атмосферная паровая влага может конденсироваться в капельную, а капельная кристаллизоваться в твердую фазу. В результате в проточной части ТД происходит конденсация водяных паров и в потоке появляется капельная влага, а при отрицательных температурах происходит ее замерзание. Эти явления приводят к коррозии и эрозионному износу направляющих и рабочих лопаток ТД и остальных элементов системы [4].

Современные методики позволяют определить зону конденсации и размеры капель воды, посредством расчёта по средней линии, но не по высоте лопатки ТД. Весь процесс конденсации разделяют три зоны: первая — расширение влажного воздуха без конденсации водяных паров и рост переохлаждения,  вторая — спонтанная конденсация при переохлаждении, третья — рост капель при малом переохлаждении [3].

Разработка математической модели, способных определить зону конденсации и размеры ядер частиц воды в поперечном сечении ТД, позволит подробнее изучить протекающие в ТД процессы и решить проблемы коррозии и эрозионного износа направляющих и рабочих лопаток.

В области кондиционирования воздуха основной целью является эффективное охлаждение воздуха для поддержания заданных параметров микроклимата. Опыт применения подобных установок на территории РФ не велик и требует как теоретических проработок данного вопроса, так и экспериментальных [1].

Результаты исследовательского прогноза о перспективности развития систем кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами, выполненного В. И. Прохоровым [7], показывают, что жизнеспособность систем с воздушными холодильными машинами (ВХМ) не вызывает сомнений, но степень распространения будет ограничена в среднем 4,5 % от общего числа УКВ с тенденцией увеличения этого значения.

Целесообразность использования ВХМ в кондиционировании воздуха также будет увеличиваться по мере возрастания и появления новых технических требований к системам:

• работа при высокой температуре окружающего воздуха (более 45°С);
• установка систем в пожаро- и взрывоопасных помещениях;
• работа при высоком аэродинамическом сопротивлении сетей;
• обеспечение высоких скоростей охлаждения воздуха;
• минимальные габариты и масса;
• получение воздуха с отрицательными температурами, в том числе с очень низкими;
• генерация мелкодисперсного и монодисперсного тумана;
• получение насыщенного и перенасыщенного воздуха при постоянной или переменной температуре;
• обеспечение глубокой осушки воздуха;
• прямоточность кондиционера при переменном расходе воздуха;
• быстрый выход на рабочий режим и резкопеременные режимы работы;
• одновременное использование теплоты и холода.

С целью расширения области применения СКВ с ВХМ необходимо провести углубленное изучение следующих направлений:

• конденсация и замерзание влаги и конденсирующихся примесей;
• эрозионный износ проточной части от капель и кристаллов воды;
• более рациональное использование энергии расширения детандера для совместного привода компрессора и вентилятора или насоса;
• увлажнение и переувлажнение обрабатываемого воздуха;
• совмещение воздушного и других холодильных циклов;
• и т.д.

В то же время в обычных случаях, когда не предъявляются указанные выше требования, СКВ с ВХМ применения не найдут.

Актуальность и научный интерес к тематике ВТХМ вызваны вопросами энергоэффективности, а также снижением эксплуатационных и капитальных затрат на создание СКВ.

Вопросы применения ВТХМ вызывают большой интерес соискателей на территории РФ, в странах СНГ и за рубежом [8, 9, 10]. Значительное количество среди кругов учёных, компаний, выпускающих турбомашины, а также научно-исследовательских институтов занимаются решением проблем применения турбодетандеров в различных отраслях промышленности, в частности в установках кондиционирования воздуха.

Однако, не смотря на большое количество соискателей вопросы конденсации и кристаллизации рабочего вещества, представляющего из себя мультифазную смесь различных веществ, остаётся открытым и малопроработанным.

Список литературы:

1. Варенков, С.В. Процессы ядрообразования и роста кристаллических частиц в потоке газовой смеси в проточной части низкотемпературного турбодетандера [Текст] / С.В. Варенков // Технологическрое образование и устойчивое развитие региона. – Новосибирск,  2014. – Вып. 1. – С. 128-132.
2. Галдин, В.Д. Разработка элементов теории и анализ процессов расширения парогазовой смеси в турбодетандере. [Текст]: диссертация докт. техн. наук: 05.04.04: защищена: 1998год./ Галдин Владимир Дмитриевич. – Омск, 1998 – 410 стр.
3. Галдин, В.Д. Расширение влажного воздуха для систем кондиционирования воздуха в турбодетандере: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2005 – 148 с.
4. Дьяченко, Ю.В. Исследование термодинамических циклов воздушно-холодильных машин. [Текст]: монография/ Ю.В. Дьяченко. – Новосибирск: изд-во НГТУ,  2006. – 404 стр.
5. Матвеев, Ю. В. Совершенствование малорасходных турбин конструкции ЛПИ для турбодетандерных электроустановок газораспределительных станций на основе экспериментальных методов. [Текст]: диссертация канд. техн. наук: 05.04.12: защищена: 2012год./ Матвеев Юрий Владимирович. – СПб, 2012 – 172 стр.
6. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации [Текст]: Федеральный конституционный закон от 23 ноября 2009 N 261-ФЗ (ред. от 13.07.2015)// Собрание законодательства. – 2009. - № 48, (30 нояб.). – Ст. 5711.
7. Прохоров, В.И. Системы кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами [Текст]. – М. : Стройиздат, 1980. – 160 с.
8. Cho SY, Cho CH, Kim C, Performance characteristics of a turbo expander substituted for expansion valve on air-conditioner // EXPERIMENTAL THERMAL AND FLUID SCIENCE. – Tangshan, 2008. – Vol. C-32, N 8. – P. 1655-1665.
9. Mahmood Farzaneh-Gord, Mandi Deymi-Dashtebayaz, Effect of various inlet air cooling methods on gas turbine performance // Energy. – Shahrood, 2011. – Vol. C-36, N 2. – P. 1196-1205.
10. Mehdi Taleshian Jelodar, Hasan Rastegar, Hossein Askarian Abyaneh, Modeling turbo-expander systems // SIMULATION: Transactions of The Society for Modeling and Simulation International. – Amirkabir, 2013. – Vol. C-89, N 2. – P. 234-248.