Гибридная двухкаскадная схема охлаждения сжатого воздуха для энергопотребляющих средств индивидуальной защиты

водственной среде, имеющей температуру до + 110 ° C . Более полная утилизация отводимой с горячим воздухом энергии, возможна при использовании несколько не принципиально усложненной конструкции кондиционера, имеющей двухкаскадное вакуумирование. Такая схема получения кондиционируемого воздуха позволяет еще несколько повысить температуру применяемости кондиционируемой одежды. Эффект достигается за счет снижения температуры кипения воды. Это обусловлено более низким давлением откачиваемого пара, получаемым при двухкаскадном вакуумировании.

На рис 1 приведены два варианта гибридной схемы кондиционирования: однокаскадная схема – вариант 1, двухкаскадная схема – вариант 2 (на рис. использована общая для обоих вариантов нумерация элементов).

Работа однокаскадной гибридной схемы кондиционирования (вариант 1) происходит следующим образом. Сжатый воздух по гибкому шлангу 1 с расходом G поступает в вихревую трубу 2 индивидуального кондиционера, расположенного на внешней поверхности кондиционируемой одежды 3. Принимаем, что температура сжатого воздуха в подводимом шланге на входе в кондиционер равна температуре окружающей среды. Это становится возможным при нахождении работающего на достаточном расстоянии в зоне повышенной температуры. Часть подведенного к кондиционеру воздуха после охлаждения до температуры Тхол = 298К(25°С) с расходом Gx по каналу 4 поступает в кондиционируемую одежду. Горячая составляющая воздуха, образующаяся в вихревой трубе, с расходом Gг по каналу 5 выводится из нее и делится на две состав- ляющие с расходами

G и г ₁

G г . Воздух с рас-

Рис. 1. Однокаскадная (вариант 1) и двухкаскадная (вариант 2) гибридная схема индивидуального кондиционирования

ходом G _г поступает в вихревой вакуум-насос

8, а с расходом G через дроссель 6 в выпуск- г ₂

ное устройство 10. Это выпускное устройство введено в конструкцию для регламентированного сброса воздуха по направлению и скорости, т.к. хаотичный сброс из-за его высокой температуры мог бы создать определенные трудности при эксплуатации. Используемая в кондиционере вихревая труба охлаждается кипящей в камере 7 водой. За счет откачивания пара воды из камеры, в ней устанавливается давление ниже атмосферного и вода, при этом кипит при пониженной температуре. Образующийся пар с расходом G в по каналу 9 поступает в вакуум-насос 8 и далее вместе с активным воздухом из вакуум-насоса сбрасывается в окружающую среду через выпускное устройство. Охлаждение в гибридной однокаскадной схеме обеспечивает необходимую температуру кондиционирующего воздуха при температуре окружающей среды до

Т окр = 383 К (110 ° С ) .

Мы поставили задачу, используя те же физические явления, получить несколько большее снижение температуры воздуха в кондиционере и за счет этого повысить температуру его применимости. В предыдущей схеме часть горячего воздуха просто сбрасывалась. Использовать его полностью, увеличив размеры вакуум-насоса, и перейти на большее разряжение за счет уменьшения коэффициента эжекции с сохранением абсолютного расхода эжектируемой среды мы полагаем будет менее целесообразным, чем использование двухкаскадного вакуумирования.

В схеме гибридного двухкаскадного кондиционирования (вариант 2) часть горячего воздуха с расходом Gг2 поступает в вакуум-насос 11 вихревого кондиционера. Вакуум-насос откачивает смесь водяного пара и воздуха из вакуум-насоса 8 первого каскада, что приводит к дополнительному понижению давления перед первым каскадом, в камере 7. Охлаждающая вихревую трубу вода кипит при более низкой температуре, температурная эффективность охлаждаемой вихревой трубы увеличивается. Используемые в схеме вихревые вакуум-насосы обладают стабильными характеристиками в широком диапазоне параметров, у них нет необходимости перенастройки при их изменении. Однако они имеют более низкий, по сравнению со струйными эжекторами, коэффициент эжекции. При проектировании двухкаскадной схемы определяющими являются предельные располагаемые характеристики по утилизируемому горячему воздуху. Они определяют возможные режимы работы системы в целом. Расходные характеристики кондиционера описываются системой из шести алгебраических уравнений:

G = G x + G_r

Gx = aG

G r = G r1 + G r ₂

Ge = kG

Gc = n. G, в     э1 г 2

.

G, = n„ G, - G„ ^r 1      ^э 1 г 2       в

Систему уравнений необходимо решить относительной доли холодного потока

A = f(ПЭ1, пэ2 ,к) . Коэффициенты эжекции n31, Пэ2 являются характеристиками вихревых вакуум-насосов и выбираются по результатам эксперимента или из справочной литературы. Используемые вакуум-насосы обоих каскадов несколько отличаются по размерам и величине абсолютного создаваемого давления, но идентичны по конструкции.

Принимаем п_э = 0,8 n   = n . В конечном

1        э 2     э виде A =

1 -

1,8 п _э + 1

---э---к

0,8 n ²

э

Относительный весовой расход воды к , используемой в процессе охлаждения вихревой трубы, определяется на основе теплового баланса (рис. 2).

Тепловой баланс имеет вид:

Q = Qx + Qa + Q , x г кип где Q – тепло, поступающее со сжатым воздухом;

Q x – тепло, отводимое с холодной составляющей воздуха;

Q г – тепло, отводимое с горячей составляющей воздуха;

Q кип – тепло, затрачиваемое на кипение охлаждающей воды.

G C T =G -T C +G -Т С +G С p крр    X ХОЛ р + г кип р + в , где C p – теплоемкость воздуха,

C – удельная теплота парообразования воды.

Принимаем в виде допущения, что температура отводимого на утилизацию горячего воздуха равна температуре кипения воды охлаждающей вихревую трубу Т г = Т_кип . В реальном процессе теплообмена это равенство можно рассматривать только как предельное. Температура отводимого горячего воздуха несколько выше. Принятое допущение позволяет определить предельное значение относительного весового расхода охлаждающей воды.

В конечном итоге относительный расход охлаждающей воды имеет вид к = C [токр Тг а(Тх Тг)].

На графике (рис. 3) приведены значения относительного весового расхода охлаждающей жидкости к = f ( t ; a ) .

окр

На рис. 4 приведены расходные характеристики двухкаскадной гибридной схемы кондиционирования. Эти характеристики являются предельными. Характеристики работы располагаются правее и ниже предельных.

Рис. 2. Схема теплового баланса

Рис. 3. Зависимость относительного расхода охлаждающей воды к от температуры окружающей среды для различных режимов относительного расхода холодного воздуха Ц

Рис. 4. Зависимость предельной располагаемой доли холодного потока Ц от коэффициента эжекции n э и коэффициента относительного расхода охлаждающей воды к

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность примененной схемы кондиционирования до температуры окружающей среды + 136 ° C . С коэффициентом весового расхода охлаждающей жидкости не выше предельного. Точную величину коэффициента установить не представилось возможным, т.к. в процессе охлаждения происходил механический унос незначительной части охлаждающей жидкости в виде капель.