Розвиток наукових основ створення адсорбційних теплотрансформаторів для систем теплопостачання та кондиціонування
Loading...
Date
2025
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Український державний університет науки і технологій, Дніпро
Abstract
UKR: Дисертація спрямована на вирішення важливої науково-технічної проблеми розвитку наукових основ створення адсорбційних теплотрансформаторів для підігріву теплоносія – води або припливного повітря – в системах теплопостачання та вентиляції або кондиціонування повітря в житлових або складських приміщеннях.
На основі типових вимог до експлуатації та аналізу властивостей робочих пар «адсорбент – адсорбат» розроблені основні критерії та алгоритм підбору адсорбента та робочої рідини для теплотрансформаторів для систем теплопостачання вентиляції та кондиціонування. Базуючись на аналізі термічних мас теплотрансформаторів відкритого та закритого типів, показано, що ключовими критеріями підбору адсорбента є температура регенерації та адсорбційна ємність, тобто гранична адсорбція. Обґрунтовано вибір води, як основної робочої речовини.
Проаналізовано основні фактори, які впливають на термічні маси теплотрансформаторів відкритого та закритого типів. Підтверджено переваги композитів типу «силікагель – кристалогідрат». Зокрема, підтверджено перспективність використання адсорбенту «силікагель 20% – натрій сульфат 80%».
На основі аналізу процесів експлуатації адсорбційних теплотрансформаторів відкритого та закритого типу для систем теплопостачання розроблені алгоритми розрахунку конструкційних та експлуатаційних параметрів адсорбційних перетворювачів теплової енергії, які дозоляють дати інтегральну оцінку ефективності роботи пристрою в умовах типової системи теплопостачання, вентиляції або кондиціонування. Вони включають обчислення коефіцієнта масопередачі, адсорбції, корисної теплоти адсорбції, теплової потужності для нагрівання адсорбенту, корпусу пристрою, води в зволожувачі, випаровування води, нагрівання адсорбованої води, десорбції та коефіцієнтів корисної дії. Запропоновані алгоритми мають задовільну узгодженість результатів розрахунків та експериментальних даних та дозволяють встановити оптимальний тепловий режим роботи адсорбційних перетворювачів теплової енергії в умовах типових систем теплопостачання, вентиляції та кондиціонування.
Проаналізована структура витрат на експлуатацію адсорбційного трансформатора теплової енергії в системах теплопостачання. Встановлено, що близько 90 % теплових витрат відповідає випаровуванню та десорбції. Показано, що ключовим заходом підвищення ефективності теплотрансформаторів відкритого або закритого типів є нетермічні заходи зі створення пароповітряної суміші, зокрема, ультразвукове зволоження потоку повітря, яке поступає до шару адсорбента.
Проаналізовано тепловий режим експлуатації адсорбційного теплоакумулюючого пристрою відкритого типу. Встановлено найбільш ефективні параметри експлуатації адсорбційного теплоакумулятора для підігріву припливного повітря, які відповідають санітарним нормам.
Проведено ексергетичний аналіз експлуатації теплоакумулюючого пристрою відкритого типу. Підтверджено, що максимальні значення ексергетичного ККД та термічного ККД відповідають ідентичним параметрам експлуатації: початкові температури та абсолютна вологість початкового повітряного потоку повинні підтримуватися на рівні 20 – 30ºC і 0,03 – 0,04 кг/м3.
На основі аналізу експлуатації лабораторного прототипу адсорбційного регенератора теплоти та вологи запропонована процедура розрахунку його основних експлуатаційних характеристик. Показана адекватність результатів розрахунку та експериментальних даних. Проаналізовано режим експлуатації адсорбційного регенератора теплоти та вологи. Показано основні фактори, які впливають на ефективність даного пристрою. Показано, що як ключеві параметри для оптимізації експлуатаційних характеристик адсорбційного регенератора теплоти та вологи доцільно розглядати температурний коефіцієнт корисної дії, час досягнення максимальної адсорбції та споживану потужність вентилятора.
Розроблені конструкції адсорбційних трансформаторів теплової енергії – адсорбційних регенераторів теплоти та вологи, а також адсорбційного теплоакумулюючого пристрою відкритого типу для підігріву припливного повітря. Запропоновано математичну модель та процедури розрахунку основних проектних характеристик та теплових режимів роботи адсорбційних теплоакумулюючих пристроїв відкритого типу та адсорбційного регенератора в умовах традиційних систем теплопостачання та/або вентиляції систем житлових або складських приміщень.
Розглянуто основні принципи експлуатації адсорбційних холодильних пристроїв в умовах типових систем кондиціонування. Встановлені оптимальні умови експлуатації. Розроблені заходи, які дозволяють частково утилізувати теплоту адсорбції – використати для підігріву теплоносія, який можна використати як для підігріву адсорбента до температури початку адсорбції, так і в системі гарячого водопостачання.
ENG: The dissertation is aimed at solving an important scientific and technical problem of the development of the scientific foundations of the creation of adsorption heat transformers for heating the heat carrier - water or supply air - in systems of heat supply and ventilation or air conditioning in residential or warehouse premises. On the basis of typical requirements for operation and analysis of the properties of "adsorbent - adsorbate" working pairs, the main criteria and algorithm for selecting an adsorbent and working fluid for heat transformers for heat supply, ventilation and air conditioning systems have been developed. Based on the analysis of the thermal masses of heat transformers of open and closed types, it is shown that the key criteria for adsorbent selection are regeneration temperature and adsorption capacity, i.e. limit adsorption. The choice of water as the main working substance is justified. The main factors affecting the thermal mass of heat transformers of open and closed types are analyzed. The advantages of composites of the "silica gel - crystal hydrate" type have been confirmed. In particular, the promising use of the adsorbent "silica gel 20% - sodium sulfate 80%" has been confirmed. Based on the analysis of the operation processes of open and closed adsorption heat transformers for heat supply systems, algorithms have been developed for calculating design and operational parameters of adsorption heat energy converters, which allow to give an integral assessment of the efficiency of the device in the conditions of a typical heat supply, ventilation or air conditioning system. These include the calculation of the mass transfer coefficient, adsorption, useful heat of adsorption, thermal power for heating the adsorbent, device body, water in the humidifier, water evaporation, heating of the adsorbed water, desorption, and efficiency coefficients. The proposed algorithms have a satisfactory consistency of calculation results and experimental data and allow to establish the optimal thermal mode of operation of adsorption heat energy converters in the conditions of typical heat supply, ventilation and air conditioning systems. The cost structure for the operation of the heat energy adsorption transformer in heat supply systems is analyzed. It was established that about 90% of heat consumption corresponds to evaporation and desorption. It is shown that the key measure for increasing the efficiency of heat transformers of open or closed types is non-thermal measures to create a steam-air mixture, in particular, ultrasonic humidification of the air flow that enters the adsorbent layer. The thermal mode of operation of an open-type adsorption heat-accumulating device is analyzed. The most effective operating parameters of the adsorption heat accumulator for heating supply air, which meet sanitary standards, have been established. An exergy analysis of the operation of an open-type heat storage device was carried out. It has been confirmed that the maximum values of exergetic efficiency and thermal efficiency correspond to identical operating parameters: the initial temperatures and absolute humidity of the initial air flow should be maintained at 20 - 30ºC and 0.03 - 0.04 kg/m3. Based on the analysis of the operation of the laboratory prototype of the heat and moisture adsorption regenerator, a procedure for calculating its main operational characteristics is proposed. Adequacy of calculation results and experimental data is shown. The mode of operation of the heat and moisture adsorption regenerator is analyzed. The main factors affecting the efficiency of this device are shown. It is shown that as key parameters for optimizing the operational characteristics of the heat and moisture adsorption regenerator, it is advisable to consider the temperature coefficient of useful action, the time to reach maximum adsorption, and the fan power consumption. Designs of adsorption heat energy transformers - adsorption heat and moisture regenerators, as well as an open-type adsorption heat storage device for heating supply air - have been developed. A mathematical model and procedures for calculating the main design characteristics and thermal modes of operation of open-type adsorption heat-accumulating devices and adsorption regenerator in the conditions of traditional heat supply and/or ventilation systems of residential or warehouse premises are proposed. The main principles of operation of adsorption refrigerating devices in the conditions of typical air conditioning systems are considered. Optimal operating conditions are established. Measures have been developed that allow partial utilization of the heat of adsorption - to use heat for heating, which can be used both for heating the adsorbent to the temperature of the start of adsorption, and in the hot water supply system.
ENG: The dissertation is aimed at solving an important scientific and technical problem of the development of the scientific foundations of the creation of adsorption heat transformers for heating the heat carrier - water or supply air - in systems of heat supply and ventilation or air conditioning in residential or warehouse premises. On the basis of typical requirements for operation and analysis of the properties of "adsorbent - adsorbate" working pairs, the main criteria and algorithm for selecting an adsorbent and working fluid for heat transformers for heat supply, ventilation and air conditioning systems have been developed. Based on the analysis of the thermal masses of heat transformers of open and closed types, it is shown that the key criteria for adsorbent selection are regeneration temperature and adsorption capacity, i.e. limit adsorption. The choice of water as the main working substance is justified. The main factors affecting the thermal mass of heat transformers of open and closed types are analyzed. The advantages of composites of the "silica gel - crystal hydrate" type have been confirmed. In particular, the promising use of the adsorbent "silica gel 20% - sodium sulfate 80%" has been confirmed. Based on the analysis of the operation processes of open and closed adsorption heat transformers for heat supply systems, algorithms have been developed for calculating design and operational parameters of adsorption heat energy converters, which allow to give an integral assessment of the efficiency of the device in the conditions of a typical heat supply, ventilation or air conditioning system. These include the calculation of the mass transfer coefficient, adsorption, useful heat of adsorption, thermal power for heating the adsorbent, device body, water in the humidifier, water evaporation, heating of the adsorbed water, desorption, and efficiency coefficients. The proposed algorithms have a satisfactory consistency of calculation results and experimental data and allow to establish the optimal thermal mode of operation of adsorption heat energy converters in the conditions of typical heat supply, ventilation and air conditioning systems. The cost structure for the operation of the heat energy adsorption transformer in heat supply systems is analyzed. It was established that about 90% of heat consumption corresponds to evaporation and desorption. It is shown that the key measure for increasing the efficiency of heat transformers of open or closed types is non-thermal measures to create a steam-air mixture, in particular, ultrasonic humidification of the air flow that enters the adsorbent layer. The thermal mode of operation of an open-type adsorption heat-accumulating device is analyzed. The most effective operating parameters of the adsorption heat accumulator for heating supply air, which meet sanitary standards, have been established. An exergy analysis of the operation of an open-type heat storage device was carried out. It has been confirmed that the maximum values of exergetic efficiency and thermal efficiency correspond to identical operating parameters: the initial temperatures and absolute humidity of the initial air flow should be maintained at 20 - 30ºC and 0.03 - 0.04 kg/m3. Based on the analysis of the operation of the laboratory prototype of the heat and moisture adsorption regenerator, a procedure for calculating its main operational characteristics is proposed. Adequacy of calculation results and experimental data is shown. The mode of operation of the heat and moisture adsorption regenerator is analyzed. The main factors affecting the efficiency of this device are shown. It is shown that as key parameters for optimizing the operational characteristics of the heat and moisture adsorption regenerator, it is advisable to consider the temperature coefficient of useful action, the time to reach maximum adsorption, and the fan power consumption. Designs of adsorption heat energy transformers - adsorption heat and moisture regenerators, as well as an open-type adsorption heat storage device for heating supply air - have been developed. A mathematical model and procedures for calculating the main design characteristics and thermal modes of operation of open-type adsorption heat-accumulating devices and adsorption regenerator in the conditions of traditional heat supply and/or ventilation systems of residential or warehouse premises are proposed. The main principles of operation of adsorption refrigerating devices in the conditions of typical air conditioning systems are considered. Optimal operating conditions are established. Measures have been developed that allow partial utilization of the heat of adsorption - to use heat for heating, which can be used both for heating the adsorbent to the temperature of the start of adsorption, and in the hot water supply system.
Description
Науковий консультант доктор технічних наук, професор Сухий Костянтин Михайлович.
Захист дисертації - 15 травня 2025 року.
О. Бєляновська: ORCID 0000-0003-1873-4574
Keywords
автореферат дисертації, трансформація теплової енергії, адсорбційний теплотрасформатор, теплоакумулюючих пристрій, адсорбційний регенератор теплоти та вологи, композитний адсорбент «пориста матриця – сіль», thermal energy transformation, adsorption heat transformer, heat storage device, heat and moisture adsorption regenerator, composite adsorbent "porous matrix - salt", КЕН УДХТУ
Citation
Бєляновська О. А. Розвиток наукових основ створення адсорбційних теплотрансформаторів для систем теплопостачання та кондиціонування : автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.14.06. Дніпро, 2025. 45 с.