Вихревые переносные и передвижные кондиционеры

В различных отраслях промышленности (химиче­ской, металлургической, судостроительной и др.) не­возможно избежать ручных операций в атмосфере с высокой температурой, содержащей токсичные газы, ра­диоактивные частицы, пыль и аэрозоли. В авиации и при подводных работах условия неблагоприятны также по давлению. В связи с этим используют защитное сна­ряжение (маски, шлемы, накидки, костюмы, скафанд­ры), выбор которого зависит от конкретных требований. Переносные кондиционеры применяют для подачи све­жего воздуха для дыхания, а также для вентиляции пододежного пространства. Расход и параметры пода­ваемого воздуха выбирают в соответствии с медико — биологическими требованиями. С одной стороны, необ­ходимо обеспечить эффективный отвод теплоты и испа­ряющегося пота из защитного снаряжения, а с другой — исключить появление больших контрастов температур на отдельных участках поверхности тела человека.

Для повышения или понижения температуры пода-

Оо

Г— (М

Аз

Ю

О"

—• о

— о"

— ^ —.

Ваемого воздуха обычно используют вихревые трубы. В режиме охлаждения температуру регулируют подме­шиванием к охлажденному потоку части нагретого по­тока; остальную часть потока выбрасывают в атмосфе­ру. Соответственно в режиме нагрева подмешивают к нагретому потоку часть охлажденного. В — большинстве случаев свежий воздух после регулятора температуры направляется в инжектор, где он подсасывает воздух находящийся в пододежном пространстве. Инжектор позволяет уменьшить контрасты температур без увели­чения расхода сжатого воздуха. Естественно, примене­ние инжектора сопряжено с повышением давления на выходе охлаждаемого потока из вихревой трубы. При создании переносного кондиционера необходимо также предусматривать ручную поднастройку режима работы в зависимости от самочувствия человека, тяжести вы­полняемой работы й теплового режима в рабочем по­мещении.

Расчетные режимы, по которым выбирают парамет­ры кондиционера, соответствуют наиболее тяжелым ус­ловиям работы. При охлаждении расчетная холодопро — изводительность

QK = |AG0(/K —у+ QB, (80)

Где г’к — энтальпия воздуха на выходе из защитного сна­ряжения при работе на расчетном режиме; QB = = \iGccp(ToTK) — потеря холода с воздухом, выходя­щим из защитного снаряжения (Тк — температура вы­ходящего воздуха).

В ряде случаев рационально использовать так на­зываемые шланговые кондиционеры, в которые подает­ся сжатый воздух из пневмосети по гибкому шлангу. От длины последнего зависят размеры зоны, обслужи­ваемой одним человеком. Удачная конструкция шлан­гового кондиционера разработана Л. С. Кеконеном [19] для защитного снаряжения, применяемого при очист­ных и покрасочных работах в закрытых помещениях. Расход сжатого воздуха 12,6 кг/ч при давлении 0,35 МПа. Кондиционер может обеспечивать охлажде­ние или нагрев подаваемого воздуха на 15—25 К — Од­на из^ наиболее интересных конструктивных особенно­стей кондиционера — использование вихревой трубы с изогнутой камерой разделения. В работе [19] приведе­ны сведения, позволяющие оценить влияние угла и ра­диуса изгиба камеры на эффективность энергетическо­го разделения в вихревой трубе. Применение таких труб облегчает компоновку их с другим оборудованием, по­зволяет уменьшить суммарные размеры изделий. Ос­новная, масса кондиционера сосредоточена в подводя­щем шланге. При требуемой длине массу можно умень­шить только уменьшением диаметра шланга, в связи с чем необходима оценка гидравлических потерь. Сни­жение давления в подводящем шланге

Р/р, = [1 + 0Ml(l/D) (Dc/D)4]0’5, (81)

Где р и pi — давление соответственно в начальном се­чении шланга и перед соплом; Я — f(Re) —коэффи­циент скорости; I — длина шланга; Dc = ]/~4F0/n —ус­ловный диаметр сопла: D — внутренний диаметр шлан­га.

При Dc/Dc0,2 отношение р/р\ значительно отлича­ется от единицы и наличие шланга достаточно большой длины не влияет заметно на работу кондиционера.

Из уравнений материального и теплового балансов выводят зависимости для расчета температуры воздуха на выходе из смесителя кондиционера: в режиме соот­ветственно нагрева потока и охлаждения

Т Ц’цГх + (1-ц) Гг.

КП, … . • >

Цц + (1 — ц)

Т+ Ко, , ,, . >

И + Р (1—И)

Здесь [i’= G‘x/Gx= G‘r/Gr — доля воздуха охлажденного или нагретого потока, выбрасываемого в атмосферу.

В Индии для работы при высоких температурах при­меняют переносные шланговые кондиционеры, которые называют охлаждающими поясами [35]; в данном слу­чае отсутствует защитный костюм. Переносной конди­ционер создает зону с пониженной температурой возду­ха в непосредственной близости! от работающего. Вы­пускают две модели охлаждающих поясов. Применение таких кондиционеров связано с использованием уст­ройств, обеспечивающих заданное поле температур в зоне охлаждения. В противном случае переохлаждение отдельных участков тела работающего приведет к тя­желым простудным заболеваниям. Результаты испыта­ний вихревых труб, комплектующих эти кондиционеры,

Таблица 6

Параметры вихревых труб

Модель

Рс, МПа

Гс. К

V *

Гг, К

«с кг/ч

И

1

0,7

303

266

338

21

0,48

0,55

305

276

342

16,5

0,56

0,475

312

285

348

14,25

0,57

2

0,7

303

268

335

16,8

0,40

0,55

309

281

336

13,2

0,51

0,475

313

290

349

11,52

0,61

Приведены в табл. 6. Вихревая труба массой 210 г, диаметром Dc = 8 мм, общей длиной 75,5 мм закрепле­на на поясе и подсоединена диафрагмой к каналам в поясе высотой 2 см.

К шланговым кондиционерам можно отнести также используемые в медицине гипотермические аппараты. Один из первых, наиболее интересных аппаратов! раз­работан Ю. Г. Иртикевым и А. П. Меркуловым [19]. Атмосферный воздух подается вакуумным насосом в сопло вихревой трубы. Охлажденный поток использует­ся для отбора теплоты от объекта охлаждения, смеши­вается с нагретым и подается на вход вакуум-насоса. Параметры гипотермического аппарата: е = 2,18; АТХ = = 17! К, Gc = 3,85 кг/ч. Основное преимущество такого аппарата — простота конструкции. В других аппаратах используют сжатый воздух. Для обслуживания их не­обходим компрессор с концевым холодильником. В рас­сматриваемом кондиционере холодильника нет. Нагре­вающийся при сжатии в вакуум-насосе воздух выбрасы­вается в атмосферу.

Баллонные переносные кондиционеры применяют в случаях, когда расстояние, на которое перемещается ра­ботающий, превышает допустимую длину шланга. Кон­диционер работает за счет запаса сжатого воздуха, за­качиваемого в баллон перед началом работы. Повы­шенная удельная холодопроизводительность) объясня­ется необходимостью уменьшения массы кондиционера. Это приводит к увеличению разности температур возду­ха в пододежном пространстве и свежего воздуха пе­ред входом в защитное снаряжение. Следовательно, эжектор или инжектор — обязательный элемент конди­ционера. Он обеспечивает рециркуляцию воздуха и уменьшает контрасты температур в пододежном прост­ранстве до значений, соответствующих медико-биологи­ческим требованиям. На переноску кондиционера чело­век затрачивает дополнительную работу. В этом случае положительный эффект дают только те мероприятия, при реализации которых прирост холодопроизводитель — ности превышает тепловыделения, вызванные перенос, кой дополнительного груза. Именно это обстоятельство определяет специфику схемы и рабочего процесса бал­лонного кондиционера.

Рассмотрим некоторые особенности работы баллонно­го кондиционера. Начальное давление в баллоне прини­мают равным 25—35 МПа. В этом диапазоне чем больше давление, тем меньше удельная масса баллона. Выбор давления определен характеристикой заправоч­ного оборудования. Поэтому повышение начального давления в баллоне не следует считать доступным спо­собом уменьшения массы кондиционера. Известные в настоящее время кондиционеры работают только в ре­жиме охлаждения. Во время работы уменьшение давле­ния воздуха в баллоне сопровождается снижением его температуры. В редукторе температура снижается в процессе дросселирования. Следующий этап производст­ва холода — процесс энергетического разделения в вих­ревой трубе. Заключительный этап — испарение влаги с поверхности организма. В последнем случае конди­ционер не сам производит холод, а лишь создает усло­вия для испарения пота в пододежном пространстве.

Холодопроизводительность, полученную при идеаль­ной организации всех| процессов, назовем располагае­мой холодопроизводительностью

QP = Qi + Q2 + Q3 + Qt,

Где Q\ = V6dpldx — холодопроизводительность, опреде­ляющаяся снижением давления воздуха в баллоне (Уб — объем баллона; р — текущее значение давления в баллоне); Q2 = cphTnGc— холодопроизводительность, по­лученная в процессе дросселирования (Тл — интеграль­ный эффект дросселирования); Q3 = (1 — р,) (Тг — — To)GcCp — холодопроизводительность, полученная при энергетическом разделении в вихревой трубе (Т0 — тем­пература окружающей среды); Q4= [iGc {dKDH) Г — xo — лодопроизводительность от испарения влаги с поверхно­сти организма (DK— влагосодержание воздуха, выбра­сываемого из снаряжения; dH^0—влагосодержание воз­духа в баллоне; г — теплота парообразования).

Для используемого в настоящее время, оборудова­ния Qi составляет 50—55%, Q2—8—12%, Q3—10—15%, <24—15—25% располагаемой холодопроизводительности. В реальном кондиционере полезно используется лишь часть произведенного холода. В качестве примера рас­смотрим схему кондиционера, который состоит из балло­на, редуктора, вихревой трубы, регулятора температу­ры и эжектора или инжектора. В таком кондиционере температура сжатого воздуха перед редуктором снижа­ется всего на 3—8 К, что соответствует полезному ис­пользованию 2—4% располагаемой холодопроизводи­тельности. Остальная часть холода, произведенного вследствие снижения температуры воздуха в баллоне, теряется на компенсацию теплопритоков к баллону и подводным трубкам, на охлаждение конструкции.

Температура воздуха на входе в сопло вихревой тру­бы Тс всегда ниже температуры окружающей среды То. Разность температур Т0—Т4 в начале работы растет из-за снижения температуры воздуха, уменьшения инте­грального эффекта дросселирования АГд, вызванного снижением перепада давления в редукторе. Наличие раз­ности То тс приводит к уменьшению холодопроизво­дительности вихревой трубы из-за уменьшения Тг — Го. При такой организации рабочего процесса увеличение двух первых составляющих располагаемой холодопро­изводительности (Qi и Q2) неизбежно приводит к умень­шению Q3. Значение четвертой составляющей холодо­производительности (Q4) не зависит от протекания рас­смотренных процессов и определяется только совер­шенством вентиляции пододежного пространства и тем­пературой воздуха, выходящего из защитного снаряже­ния. Для принятой схемы баллонного кондиционера сум­марная холодопроизводительность может составлять 30—40% располагаемой холодопроизводительности.

Одиц из методов увеличения полезно используемой холодопроизводительности — применение теплообмен­ника, в котором рециркулирующий воздух охлаждает­ся, отдавая теплоту свежему воздуху, выходящему из редуктора. Подогрев свежего воздуха перед соплом вихревой трубы позволяет сократить или полностью
исключить уменьшение Qз при полезном использовании Qi и Q2. В кондиционерах с теплообменником на ре­циркуляционном потоке полезно используемая холодо­производительность составляет 38—57% располагаемой.

Дальнейшего повышения эффективности работы можно достичь более полным использованием состав­ляющей Qb Для этого нужно весь рециркуляционный поток или часть его направлять в рубашку баллона. В рубашке рециркулирующий воздух охлаждается за счет теплообмена со стенками баллона. Уменьшаются потери холода вследствие теплопритоков из окружаю­щей среды. В кондиционере с теплообменником и бал­лоном, омываемым рециркуляционным воздухом, полез­но используемая холодопроизводительность может со­ставлять 65—80% располагаемой.

В принципе можно создать баллонный кондиционер и без вихревой трубы. Он будет состоять из баллона, редуктора,’ эжектора (или инжектора) и устройства для регулирования температуры воздуха на входе в защит­ное снаряжение. Для регулирования температуры мож­но использовать заслонку, создающую дополнительное гидравлическое сопротивление на линии рециркуляцион­ного воздуха. Включение в состав кондиционера вихре­вой трубы всегда дает положительный эффект. Вихре­вая труба увеличиваем в 1,3—1,5 раза действительную удельную холодопроизводительность (отнесенную к 1 кг сжатого воздуха). Так как масса вихревой трубы ма­ла, то такое усовершенствование всегда приводит к уменьшению общей массы кондиционера. Уменьшение работы на переноску кондиционера уменьшает тепловы­деления человека, что позволяет дополнительно снизить расход сжатого воздуха. Использование вихревой тру­бы существенно улучшает качество регулирования теп­лового режима в пододежном пространстве. Наличие нагретого и охлажденного потоков позволяет регулиро­вать входные параметры, воздуха без воздействия на рециркуляционный поток, т. е. без ухудшения условий отвода теплоты и влаги от отдельных участков поверх­ности.

Усовершенствование кондиционера включением в его состав теплообменника на рециркуляционном потоке дополнительно повышает удельную холодопроизводи­тельность в 1,2—1,3 раза. Однако масса теплообменни­ка в несколько раз больше массы вихревой трубы, чт»

Существенно снижает положительный эффект от усовер­шенствования. Наиболее рационально применять тепло­обменник в кондиционерах с длительным рабочим пе­риодом, а также в случаях, когда дополнительная ра­бота на! переноску кондиционера существенно меньше энергии, необходимой для выполнения основного произ­водственного процесса. Охлаждение рециркуляционного потока отводом теплоты к стенкам баллона повышает удельную холодопроизводительность в 1,5—2,0 раза. Такой способ повышения эффективности кондиционера пока не используют на практике. Для его осуществле­ния необходимо заключать баллон в герметичную теп — лоизолированную^ рубашку, сообщающуюся с объемом пододежного пространства, поэтому суммарная масса конструкции, несмотря на столь значительное повыше­ние удельной холодопроизводительности, возрастает.

Наиболее рационален отвод теплоты к стенкам бал­лона при кондиционировании герметичных кабин тран­спортных средств. Но такой кондиционер не следует от­носить к разряду переносных, так как его монтируют на транспортном средстве и человек не затрачивает энергию на переноску кондиционера.

Несколько вариантов отечественных переносных кон­диционеров, разработанных Р. С. Тер-Ионесяном [32], предназначены в основном для отвода теплоты из по­додежного пространства. Окружающий атмосферный воздух не содержал вредных примесей, поэтому рецир­куляция заменена инжектированием! атмосферного воз­духа в защитное снаряжение. Благодаря инжектирова­нию был увеличен расход воздуха через пододежное пространство и соответственно уменьшены температур­ные перепады на поверхности* одежды. В этом случае при расчете холодопроизводительности нужно учитывать дополнительную составляющую

<?5 = Ga (iK G = Ga [r (dK — d0) ~cp (T0 — TK)],

Где GА и D0 — расход и влагосодержание атмосферного воздуха; г’к и to — энтальпия воздуха, выходящего из сна­ряжения, и атмосферного; г — скрытая теплота парооб­разования.

При некоторых сочетаниях температуры в пододеж — ном пространстве, температуры и относительной влаж­ности ф атмосферного воздуха Q5<0. В этом случае инжектирование атмосферного воздуха приводит не к

/ г З 4

/

J 4

Рис. 75. Схема автономно­го кондиционера

Увеличению, а к умень­шению холодопроиз — водительности конди­

Ционера. Например, ее — -«- L-^r———— —

Ли температура возду — \ /

Вихревые переносные и передвижные кондиционеры

Ха на выходе из под — одежного принята рав­ной 298 К, то холодопроизводительность уменьшается при Го = 303 К и ф<0,65; 70 = 313 К и ф<0,30; 70 = 323К и ф>0,15. Из этих данных следует, что при наиболее вероятных условиях эксплуатации кондиционера ин­жектирование атмосферного воздуха сопряжено с по­терей части холодопроизводительности. По этой причи­не в данном случае от мероприятий, направленных на повышение удельной холодопроизводительности, полу­чают меньший эффект, чем в кондиционерах с рецир­куляцией воздуха в пододежном пространстве.

Кондиционер, разработанный Р. .С — Тер-Ионесяном (рис. 75), состоит из баллона 1 сжатого воздуха, за­порного клапана 2, редуктора 3, воздухо-воздушного теплообменника 4, вихревой трубы 5 и инжектора 6. Включение теплообменника в состав кондиционера по­зволило увеличить расход инжектируемого из атмосфе­ры воздуха в 1,4—1,5 раза. В работе [32] изложены материалы исследований, направленных на уточнение взаимосвязи характеристик вихревой трубы, теплооб­менника и инжектора, изучение влияния на работу кон­диционера гидравлического сопротивления защитного снаряжения.

Ваш отзыв

Рубрика: Вихревые аппараты

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *