Гібридне адіабатично-термоелектричне охолодження локалізованих робочих місць
DOI:
https://doi.org/10.63527/1607-8829-2025-4-27-40Ключові слова:
гібридна система охолодження, адіабатичне охолодження, термоелектричне охолодження, параметрична оптимізація, енергоефективність, теплове випромінювання, СОР.Анотація
Актуальність. Забезпечення нормативних параметрів мікроклімату на локалізованих робочих місцях, зокрема на постах керування технологічним обладнанням (кабіни кранів, операторські), в умовах екстремальних теплових навантажень, характерних для металургійних виробництв, є критично важливою науково-технічною задачею. Традиційні компресорні системи кондиціонування, що працюють в середовищі з температурою до 60°C та інтенсивним інфрачервоним випромінюванням, демонструють значне падіння коефіцієнта продуктивності (СОР) та високі експлуатаційні витрати, що обґрунтовує необхідність розробки альтернативних, більш енергоефективних рішень.
Метою роботи є підвищення енергоефективності систем локального кондиціонування для мобільних об'єктів шляхом розробки, теоретичного обґрунтування та визначення оптимальних параметрів нової дворівневої гібридної системи, що поєднує принципи адіабатичного та термоелектричного охолодження.
В основі дослідження лежить метод математичного моделювання складних тепло- та масообмінних процесів. Запропонована система складається з двох контурів: зовнішнього, що створює активний тепловий екран у вигляді продуваємої оболонки з адіабатичним охолодженням припливного повітря, та внутрішнього, що забезпечує фінішне доохолодження робочої зони за допомогою термоелектричних модулів Пельтьє. Для аналізу розроблено комплексну математичну модель, на основі якої сформульовано задачу багатофакторної параметричної оптимізації. Цільовою функцією обрано мінімізацію сукупного енергоспоживання системи при дотриманні обмежувальних умов щодо параметрів мікроклімату в кабіні та фізичних обмежень роботи обладнання.
Наукова новизна полягає у розробці нової концепції гібридної системи, де проміжний вентильований простір виконує подвійну функцію: активного теплового екрана для перехоплення до 80-90% зовнішніх радіаційних та конвективних теплонадходжень, та інтегрованого охолоджувального середовища для відведення тепла від гарячої сторони термоелектричних модулів. Набула подальшого розвитку математична модель, що комплексно описує синергетичний зв'язок між контурами. Розроблена методика оптимізації, на відміну від існуючих підходів, що розглядають компоненти окремо, дозволяє знаходити оптимальні конструктивні (товщина оболонки, кількість термоелементів) та режимні (продуктивність вентиляції, сила струму) параметри всієї системи для досягнення глобального мінімуму енергоспоживання.
Розроблений підхід є науково обґрунтованою основою для проектування нового класу енергоефективних систем підтримання мікроклімату для мобільних та стаціонарних об'єктів (кабін операторів, апаратних відсіків, електрощитових), що експлуатуються в екстремальних промислових середовищах. Результати роботи можуть бути використані для створення конкретних інженерних рішень, що забезпечують значне зниження операційних витрат та підвищення безпеки праці.
Посилання
1. Duan, Z., Zhao, X., Wang, B., & Li, G. (2012). A review of indirect evaporative cooling technology: principle, progress and application . Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(8).
2. Heidarinejad, G., & Moshari, S. (2015). A review on the applications of evaporative cooling systems . International Journal of Engineering and Technology, 5(1).
3. Rowe, DM (Ed.). (2018). Thermoelectrics handbook: macro to nano . CRC press.
4. Vian, JG, et al. (2019). A review on thermoelectric refrigeration: Design, performance, and applications . Journal of the Energy Institute, 92(4).
5. Incropera, FP, DeWitt, DP, Bergman, TL, & Lavine, AS (2007). Fundamentals of Heat and Mass Transfer . John Wiley & Sons.
6. Stull, R. (2011). Wet-Bulb Temperature from Relative Humidity and Air Temperature . Journal of Applied Meteorology and Climatology, 50(11).
7. ASHRAE Handbook—Fundamentals. (2021). Chapter 1: Psychrometrics . American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.
8. Modest, MF (2013). Radiative heat transfer . Academic press.
9. Gomaa, GM, Fathy, NA, & El-Samadony, MA (2019). Energy saving potential of a novel double skin façade with integrated evaporative cooling system . Journal of Building Engineering, 26.
10. Li, X., Zhao, H., Li, Z., et al. (2019). Experimental Study on a Hybrid Air Conditioner Combining Thermoelectric and Spray Cooling . Case Studies in Thermal Engineering, 15.
11. Hernández, SPG, Romero, LMJ, & Gómez, MAV (2020). Performance analysis of a novel hybrid system combining thermoelectric modules with an indirect evaporative cooler. Applied Thermal Engineering, 178.
12. Parsons, KC (2016). Occupational heat stress: a review of the role of heat and the challenges of in-cab thermal environments. Industrial Health, 54(2).
13. Heijmans, PWTG, & van der Veen, WMBJK (2021). Optimization strategies for hybrid cooling systems: A review and case study. Energy and Buildings, 240.
