Ексергетичне обґрунтування та підвищення енергоефективності роботи систем кондиціювання повітря для чистих приміщень

Abstract

Здійснено новий підхід до встановлення ексергоощадної експлуатації СКП на прикладі центральних прямотечійних СКП чистих приміщень як з камерою зрошення, так і з рекуперативним повітроохолодником, що ґрунтується на використанні сучасного методу термодинамічного аналізу – ексергетичного. Створено алгоритми та математичні моделі роботи цих СКП та, відповідно, розроблені комп’ютерні програми для здійснення досліджень, що дозволили виконати розрахунково-кількісні експерименти на математичних моделях досліджуваних СКП та розв’язати завдання удосконалення їх роботи і розроблення ефективних енергоощадних СКП, знайти не тільки їх ексергетичний ККД, але й обґрунтувати та підвищити енергоефективність роботи досліджуваних СКП. Досліджено залежність ексергетичного ККД hе та втрат ексергії в основних елементах досліджуваних СКП від визначаючих процес роботи СКП факторів, а саме: температури і вологовмісту навколишнього середовища, внутрішніх температури і вологовмісту повітря чистого приміщення, різниці температур між внутрішнім і припливним повітрям у чистому приміщенні та коефіцієнта трансформації холодильної машини. Запропоновані універсальні залежності для визначення ексергетичного ККД досліджуваних СКП залежно від різних факторів, які впливають на роботу цих СКП. Розроблені пропозиції з вдосконалення роботи елементів центральних прямотечійних СКП чистих приміщень як з камерою зрошення, так і з рекуперативним повітроохолодником, які впливають на зменшення втрат ексергії в них та загальне підвищення ексергетичного ККД цих СКП. Проведен критический анализ использования метода эксергетического исследования процесса работы СКВ, в частности чистых помещений, и приведены требования к качеству воздуха и микроклимата чистых помещений различного назначения. Обоснован выбор объектами исследования процессов работы центральных прямоточных систем кондиционирования воздуха чистых помещений на примере изучения процессов работы с камерой орошения и внедренной СКВ с рекуперативным воздухоохладителем и указана их характеристика. Приведены характеристики исследуемых центральных прямоточных систем кондиционирования воздуха чистых помещений с камерой орошения и рекуперативным воздухоохладителем и определены какие исходные данные нужны для составления их энергетического и эксергетического балансов. Представлено определение удельной эксергии в характерных точках процессов кондиционирования в центральных прямоточных системах для чистых помещений с камерой орошения и рекуперативным воздухоохладителем. Созданы методы составления энергетического и эксергетического балансов исследуемых центральных прямоточных систем кондиционирования воздуха чистых помещений с камерой орошения и рекуперативным воздухоохладителем, которые использованы для всестороннего исследования процессов их работы. Созданы алгоритмы и математические модели работы этих СКВ и, соответственно, разработаны компьютерные программы для осуществления исследований, позволившие выполнить расчетно-количественные эксперименты на математических моделях исследуемых СКП и решить задачу усовершенствования их работы и разработки эффективных энергосберегающих СКВ, найти не только их эксергетический КПД, но и обосновать и повысить энергоэффективность работы исследуемых СКП. Исследована зависимость эксергетического КПД и потерь эксергии в основных элементах исследуемых СКП от определяющих процесс работы СКП факторов, а именно: температуры и влагосодержания окружающей среды, внутренних температуры и влагосодержания воздуха чистого помещения, разницы температур между внутренним и приточным воздухом в чистом помещении и коэффициента трансформации холодильной машины. Приведены диаграммы Грассмана потоков и потерь эксергии для исследуемых систем кондиционирования воздуха, которые дают возможность оценить относительные потери эксергии в ЭТС, понять над уменьшением каких потерь надо работать, а значит получить экономически наиболее выгодный вариант использования избранных систем кондиционирования воздуха. Исходя из анализа диаграмм Грассмана для избранной центральной прямоточной СКВ с камерой орошения, которая обслуживает чистое помещение, установлено, что для повышения эксергетического КПД этой СКВ нужно уменьшить потери эксергии на получение холодной воды в холодильной машине, на транспортировку холодной воды в камеру орошения и в вентиляторе на транспортировку воздуха. Исходя из анализа диаграмм Грассмана для исследуемой центральной прямоточной СКВ с рекуперативным воздухоохладителем, обслуживающей операционные чистые комнаты, установлено, что для повышения эксергетического КПД этой СКВ нужно уменьшить потери эксергии в холодильной машине, на транспортировку воздуха приточным вентилятором кондиционера и вентилятором вытяжной установки. Получены расчетные формулы для определения эксергетического КПД исследуемых СКП в зависимости от температуры и влагосодержания наружного воздуха, в зависимости от температуры и влагосодержания внутреннего воздуха, в зависимости от разницы температур между внутренним и приточным воздухом и влагосодержания наружного воздуха, в зависимости от разницы температур между внутренним и приточным воздухом, в зависимости от коэффициента трансформации холодильной машины и температуры наружного воздуха. Точность расчетных значений по полученным формулам приемлема. Приведены методика и приборы, применявшиеся для экспериментальных исследований на внедренной центральной прямоточной СКВ операционных чистых комнат, результаты экспериментальных исследований на этой СКВ, подтверждена адекватность проведенных на инновационной математической исследовательской компьютерной модели этой СКВ теоретических исследований. Относительная погрешность, определенная по эксергетическому КПД исследуемой СКВ, составляет 3,8%, что находиться в допустимых пределах и свидетельствует об адекватности разработанной математической модели. Предложены универсальные зависимости для определения ексергетического КПД исследуемых СКВ в зависимости от различных факторов, которые влияют на работу этих СКВ. Разработаны предложения по совершенствованию работы элементов центральных прямоточных СКВ чистых помещений как с камерой орошения, так и с рекуперативным воздухоохладителем, которые влияют на уменьшение потерь эксергии в них и общее повышение эксергетического КПД этих СКВ. The new approach to installing exergy saving exploitation of air conditioning systems (ACS) on the example of central straight flow ACS for cleanrooms with the air washer and with recuperative air cooler, which is based on using modern method of thermodynamic analysis − exergetic, has been done. Algorithms and mathematical models of work of these ACS was created and, accordingly, the computer programs were designed which gave opportunity to make computational and quantitative experiments on the mathematical models of investigated systems and solve the task of improving of their work and development of effective energy saving ACS, not to only find their exergetic output-input ratio (OIR), but to prove and raise energy effectiveness of work of investigated ACS. The dependence of exergetic OIR and exergy losses is in the main elements of investigated ACS on factors that are determinants of their work, that are: temperature and moisture content of environment, internal temperature and moisture content air of cleanroom; temperature difference between internal and supplied air in the cleanroom and coefficient of transformation of refrigerator machine, has been investigated. The universal dependences for gaining of exergetic OIR of investigated ACS, depending of different factors which have influence on these ACS work, has been proposed. Propositions about improving the work of elements of central straight flow ACS for cleanrooms with air washer and with recuperative air cooler have influence on decreasing of their exergy losses and general increasing of exergetic OIR of these ACS, has been designed.