Настоящая статья была подготовлена при поддержке Министерства энергетики США по решению №DE-FC26-01NT41253. Однако, все мнения, данные, выводы и рекомендации, приводимые в статье, принадлежат авторам и не обязательно отражают взгляды Министерства энергетики США.
Данные эксплуатационных испытаний показывают, что в условиях неполной загрузки охлаждающего змеевика, особенно когда вентилятор работает непрерывно, его осушающая способность понижается.
График 1 показывает отражение этой концепции. Снижение эффективности осушения происходит потому, что часть влаги, сконденсировавшейся на охлаждающем змеевике на стадии охлаждения (данные, отраженные синим цветом), испаряется обратно в воздушный поток, когда змеевик отключен (данные, отраженные зеленым цветом). Данные диаграммы показывают, что при краткосрочном пребывании змеевика в нерабочем состоянии является протекает адиабатический процесс охлаждения с отводом явного тепла (данные, отраженные красным цветом) с одновременным испарением влаги (зеленый цвет) обратно в воздушный поток. Интенсивность охлаждения отводом явного тепла в нерабочем состоянии со временем снижается, поскольку уменьшается количество влаги на поверхности змеевика. В результате, охлаждающий змеевик, который периодически включается и выключается по сигналу регулятора или термостата, меньшую долю своей полной охлаждающей способности расходует на удаление влаги, если система пребывает относительно продолжительное время при выключенном охлаждающем змеевике. И наоборот, наиболее полное влагоудаление в системе обеспечивается только при постоянной работе змеевика.
|
| График 1. Изменение явной и скрытой способности охлаждающего змеевика за рабочий цикл (при постоянной работе вентилятора) |
Степень воздействия феномена латентного (скрытого) снижения эффективности осушения зависит от доли рабочего цикла охлаждающего змеевика (испытания проводились при установившемся режиме).
Когда охлаждающая система работает непрерывно (то есть когда доля рабочего цикла равна единице), доля явного тепла системы равна 0,76. Однако когда компрессор работает реже, эффективная доля явного тепла охлаждающего змеевика увеличивается, за счет меньшего удаления влаги. При доле рабочего цикла компрессора менее 40% в охлаждающей системе не было замечено удаления влаги. Большинство охлаждающих змеевиков работают по много часов в условиях неполной загрузки. В результате происходит значительное снижение способности удаления влаги в системе в течение сезона использования. Такое снижение эффективности при неполной загрузке приводит к тому, что уровень влажности в помещении растет, особенно в те дни, когда тепловая нагрузка умеренна.
Моделирование скрытого снижения эффективности осушения
Хендерсон и Ренгараджан разработали математическую модель для предсказания снижения латентной способности осушения одноступенчатого холодильного оборудования в условиях неполной загрузки. Эта модель, показанная в виде линии на графике 2, соответствует данным испытаний. Параметры модели twet и ?, определенные в ходе эксплуатационных испытаний для этой системы были равны 720 секунд (12 минут) и 1,07 соответственно.
|
| График 2. Эксплуатационные данные, отражающие чистое воздействие работы при неполной загрузке на долю явного тепла |
График 3 показывает значение параметров модели twet и ?. Количество влаги (M0) должно образовываться на змеевике до того, как с него опадает конденсат. По истечении этого промежутка времени (t0), вся латентная способность змеевика является "полезным" удалением влаги, поскольку конденсат покидает систему через дренаж. Когда змеевик отключается, а вентилятор продолжает работать, начальная масса влаги, образовавшаяся на змеевике (M0), испаряется обратно в воздушный поток. Если охлаждающий змеевик снова включается до того, как испарится вся влага, то период времени до первого влагосъема сокращается для следующего охлаждающего цикла, поскольку охлаждающий змеевик начинает работать частично влажным.
Параметр twet — это отношение влагоудерживающей способности змеевика (M0) к латентной способности (QL) в устойчивом состоянии; twet показывает номинальное время, по истечении которого влага опадет со змеевика (начиная с сухого змеевика и не принимая во внимание краткосрочные влияния при запуске). Другой параметр ? определяется как отношение начальной интенсивности испарения (Qe) к латентной способности (QL) в устойчивом состоянии. Модель латентного снижения эффективности также требует двух дополнительных параметров, связанных с эффективностью инженерных моделей при неполной загрузке. К таким дополнительным параметрам относится ?, временная константа, связанная с латентной способностью при запуске (для системы на графике 2 ее приняли за 75 секунд). Другой параметр Nmax — это максимальная циклическая частота термостата согласно стандартам на проведение испытаний термостата, определенным Национальной ассоциацией производителей электрооборудования NEMA.
|
| График 3. Принципы накопления и испарения влаги |
Проект был инициирован в 2001 году с целью получения дополнительных лабораторных и эксплуатационных данных о работе охлаждающего змеевика при частичной загрузке. Эти данные используются для выверки существующей математической модели латентного снижения эффективности и для усовершенствования и расширения модели с целью предсказания латентной го снижения эффективности для большего диапазона охлаждающих систем (например, многоступенчатое холодильное оборудование и системы на охлажденной воде при постоянном объеме воздуха).
Начальные результаты испытаний
Для этого проекта было установлено оборудование для психрометрических испытаний для оценки охлаждающих змеевиков воздушных кондиционеров с охлаждающими способностями до 10,5 кВт. Оборудование включает в себя внутренние (в помещении) и внешние (вне помещения) испытательные камеры, способные поддерживать постоянную температуру и влажность как указано в Стандарте 37 Национального института стандартизации США ANSI/ASHRAE — "Методы тестирования для оценки унитарного оборудования для кондиционирования воздуха и теплонасосного оборудования". Оборудование способно поддерживать желаемые условия, даже для испытаний в динамическом режиме, при которых холодильное оборудование периодически включается и выключается.
Лабораторные испытания были проведены для нескольких охлаждающих змеевиков. Каждый змеевик тестировался при различных входящих температурных условиях и условиях влажности, показателях воздушного потока и температурах хладагента змеевика. В целом, результаты лабораторных испытаний подтверждают следующие тенденции:
- процесс испарения в нерабочем состоянии становится адиабатическим после того, как перемещение хладагента в змеевике и системе затихает в течение одной-двух минут по окончании работы компрессора. Тип расширяющего устройства холодильного элемента влияет на продолжительность такого перехода;
- масса влаги, удерживающейся на поверхности змеевика, в большей степени зависит от геометрии поверхности змеевика и второстепенно — от точки росы и скорости входящего воздуха;
- вычисленные значения параметра twet в целом согласуются с замеренными величинами задержки конденсата (t0). Время задержки во многом зависит от условий входящего воздуха. Если входящие условия более влажные, то влага накапливается на змеевике быстрее, а значит, сокращается время до первого опадения конденсата. Например, время задержки для змеевика 2 варьируется от 40 до 10 минут при изменении точки росы входящего воздуха от 10°C до 21°C;
- коэффициент испарения влаги в неработающем состоянии является функцией психрометрической разности (то есть разницы температур сухого и смоченного термометров) входящего воздуха, как было бы ожидаемо для испарительного охладителя. Оставшаяся влага на охлаждающем змеевике испаряется быстрее при более сухих условиях входящего воздуха.
Тенденция испарения в неработающем состоянии указывает на то, что площадь увлажненной поверхности змеевика уменьшается пропорционально массе оставшейся влаги. Таким образом, влажный змеевик функционирует как испарительный охладитель с постепенно уменьшающейся площадью поверхности, по мере того как влага испаряется со змеевика.
|
| График 4. Сравнение измеренного латентного снижения эффективности с моделью доли скрытого тепла при номинальных условиях (змеевик 2) |
В ходе лабораторных испытаний сравнивались пять типов змеевиков. Тестируемые змеевики отличались по размеру — от 5,3 до 10,5 кВт, общая площадь ребра наибольшего и наименьшего змеевиков отличалась почти вдвое. Влагоудерживающая способность всей оребренной поверхности была идентична почти для всех протестированных змеевиков и составляла от 39 до 44 г/м2 оребренной площади. Менее точные эксплуатационные испытания влагоудерживающей способности также привели к подобному диапазону результатов: обычно от 30 до 50 г/м2. Единственным исключением был лабораторный змеевик 4. Этот змеевик с вертикальной пластиной и волнистыми ребрами удерживал на 50-60% больше влаги на единицу поверхности, чем другие змеевики. В ходе дальнейших лабораторных испытаний предстоит определить, как расположение ребра, его тип и ориентация змеевика влияют на влагоудерживающую способность змеевика.
Время первого опадения конденсата со змеевика (t0) варьировалось от 12 минут до 33 минут для лабораторных змеевиков в номинальных условиях. Подобное варьирование было отмечено и у модельного параметра twet. Результаты эксплуатационных испытаний, в целом, подтвердили такие величины параметра для других охлаждающих змеевиков.
В рамках испытаний были получены серии квазистационарных циклических тестов при разных периодах включения и выключения компрессора для симуляции реальной циклической эксплуатации. Продолжительность включенного отключенного состояния подбиралась в соответствии с кривой термостата ассоциации NEMA с максимальным показателем частоты равным три цикла в час. Квазистационарное лабораторное испытание показало те же тенденции снижения эффективности, что и эксплуатационные испытания (например, график 2) и подтвердило, что модель Хендерсона и Ренгараджана может корректно предсказать осушение при неполной загрузке. Результаты по змеевику 2, изображенные на графике 4 соответствуют результатам первого, второго и третьего рабочих циклов при тех же условиях входящего воздуха и долях рабочего цикла. Обычно наблюдается близкое совпадение результатов второго и третьего цикла в одной доле цикла, притом, что для достижения квазистационарных условий необходимо, по меньшей мере, два цикла. Треугольники третьего цикла совпадают с моделью латентного снижения эффективности, показанной на схеме в виде линии. Параметры для модели включают twet, равную 17,3 минуты и ?, равную 1,5 для змеевика 2. Подобные испытания были проведены при других условиях эксплуатации и также показывают совпадение модели и данных, полученных в ходе испытаний.
Лабораторные испытания использовались также для оценки охлаждающих змеевиков с автоматическим режимом вентилятора, в которых вентилятор периодически включается и выключается вместе с компрессором. График 5 показывает, что снижение латентной способности очевидна даже при таком режиме работы вентилятора, хотя и в меньшей степени, чем при постоянной работе вентилятора. У большинства змеевиков, протестированных в лаборатории на сегодняшний день, было отмечено некоторое ухудшение характеристик при работе вентилятора в автоматическом режиме. Данные, полученные в ходе эксплуатационных испытаний, также подтвердили, что ухудшение характеристик происходит как при постоянной работе вентилятора, так и при работе в автоматическом режиме.
Практические выводы по конструкции и контролю уровня влажности
В ходе этого исследовательского проекта также было изучено действие охлаждающих змеевиков на шести различных жилых и коммерческих объектах. Данные этих испытаний в целом подтвердили результаты лабораторных тестов. Данные эксплуатационных испытаний также продемонстрировали большое влияние регулирования и конфигурации оборудования на латентное снижение эффективности и возможность контролировать уровень влажности в помещении.
Например, эксплуатационные испытания крышного кондиционера холодопроизводительностью 35 кВт, используемого в розничной торговле показали, что наличие двухступенчатого регулирования холодопроизводительности значительно уменьшило латентное снижение эффективности. Доля явного тепла охладительного змеевика сохранялась достаточно хорошо в условиях неполной загрузки, поскольку система в течение многих часов использовалась при постоянном функционировании первой ступени. Поэтому, уровень влажности был в достаточной степени сохранен на этом коммерческом объекте, даже при постоянной работе вентилятора. И наоборот, применение крышного кондиционера с одноступенчатым регулированием привело бы к недостаточному регулированию уровня влажности, поскольку компрессор в течение нескольких тысяч часов работал бы при доле рабочего цикла менее 50%.
Результаты эксплуатационных испытаний показывают, что ожидаемый негативный эффект постоянной работы вентилятора при коммерческом использовании может быть значительно уменьшен при помощи оборудования с многоступенчатым регулированием. Однако инженеры и дизайнеры должны обязательно выбрать специальный тип теплообменника крышного кондиционера, чтобы он обеспечивал хорошую осушку при неполной загрузке (то есть использовать испарители с горизонтальными коллекторами, а не вертикальным разделением испарителя на секции).
|
| График 5. Измеренное латентное снижение эффективности при цикличной работе вентилятора в номинальных условиях |
Также отслеживалась работа двухступенчатой бытовой охлаждающей системы в жилом доме во Флориде. Поскольку скорость вентилятора была отрегулирована в соответствии с охлаждающей способностью компрессора, доля явного тепла удерживалась на достаточно низком уровне, чтобы обеспечить достаточное осушение на первой стадии охлаждения. Система в течение сотен часов непрерывно функционировала при низкой способности, поэтому постоянно поддерживалось хорошее регулирование уровня влажности. Теперь доступные высокоэффективные двухступенчатые бытовые системы обеспечивают более долгие периоды работы компрессора, что приводит к лучшему контролю влажности в помещении.
Результаты исследовательского проекта также подтверждают и количественно определяют влияние большого размера оборудования на контроль влажности. Как при постоянной работе вентилятора, типичной для коммерческого использования, так и при работе вентилятора в автоматическом режиме, обычной для бытовых систем, осушающее действие снижается при неполной загрузке. Слишком большие размеры оборудования для кондиционирования воздуха приводят к увеличению времени, проводимого при неполной загрузке и, следовательно, большей влажности в помещении. Подбор оптимального размера оборудования в соответствии с требованиями тепловой нагрузки может обеспечить лучшую влажность и более высокую эффективность системы, благодаря минимизации потерь при неполной загрузке.
Эксплуатационные испытания змеевика с охлажденной водой при постоянном объеме воздуха в коммерческом здании во Флориде подтвердили ожидаемый спад латентной способности, когда охлажденный водяной поток модулируется в соответствии с требованиями загрузки. Для случаев использования, в которых важен усиленный контроль над влажностью, дизайнеры должны рассмотреть возможность контролирования охлаждающей способности посредством перепускания воздуха вокруг змеевика. Метод перепускания воздуха определенно обеспечивает лучший контроль влажности при неполной загрузке, по сравнению с системами, модулирующими способность посредством изменения потока охлажденной воды. Системы с переменным объемом воздуха также обеспечивают лучшее осушение, когда они отрегулированы на определенную температуру воздуха на выходе.
Редакция журнала "Мир климата" выражает особую благодарность за содействие в подготовке материалов Харитонову Б.П., техническому директору компании "ДАИЧИ" и Штейну А.С., директору учебного центра "ДАИЧИ".
Авторы:
Дон Б. Ширей III, член ASHRAE; Хью И. Хендерсон Мл., P.E., член ASHRAE
Перевод: Нечаев А.В.