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(To — TK) — 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
|
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 {dK — DH) 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 — \ /
|
|
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.