Учебное пособие 2166

Граничные условия в соответствии с противоточной схемой теплообменного элемента

Особый интерес вызывает стационарный режим работы многосредных аппаратов, соответствующий условию стабилизации температур в произвольном нормальном сечении теплообменника ~х . Это условие определяется ограниченными:

62

Полагаем, что тепловые потери через стенку пренебрежительно малы в сечении ~х , тогда 2-ое уравнение системы (5), примет вид:

В работе [1] было установлено, что обеспечение эффективной работы теплообменника необходимо выполнение условия Т2ВЫХ ≥ Т1ВЫХ. Это условие позволило установить оптимальную длину теплообменного элемента ℓопт:

Предложенная методика расчёта конечных температур теплообменивающихся сред была подтверждена данными эксперимента, проводимого на экспериментальной установке, рис. 2. Результаты эксперимента приведены на рис. 3 – 6.

Отметим, что армированные стеклянные стенки имеют поверхность с шероховатостью

0,03 мм.

Сравнительный анализ значений конечных температур нагревающей и нагреваемой сред. Полученных экспериментально и теоретически, даёт расхождение, не превышающее значений объёмного расхода греющей среды (сухого воздуха) на 7,5 %.

Рис. 2 Схема экспериментальной установки:

1 – канальный теплообменный элемент; 2 – калорифер; 3 – парообразователь; 4 – вентилятор; 5, 6, 15 – переходники; 7 – отвод; 8, 16 – отводы с патрубками; 9, 10, 12 – гофрированный воздуховод; 11 – шиберы; 13 – воздуховод; 14, 17 – разделительный короб; 18 - термометры; ГС – греющая воздушная среда; НС – нагреваемая воздушная среда.

63

плоские стёкла (скорость 7,5 м3/с) плоские стёкла (скорость 9,0 м3/с) плоские стёкла (скорость 10,5 м3/с) плоские стёкла (скорость 7,5 м3/с) плоские стёкла (скорость 9,0 м3/с) плоские стёкла (скорость 10,5 м3/с)

армированные стёкла (скорость 7.5 м3/с) армированные стёкла (скорость 9,0 м3/с) армированные стёкла (скорость 10,5 м3/с) армированные стёкла (скорость 7,5 м3/с) армированные стёкла (скорость 9.0 м3/с) армированные стёкла (скорость 10,5 м3/с)

II. В предлагаемой установке в качестве теплонесущей среды применяется паровоздушная смесь, содержащая насыщенный пар. Прохождение смеси вдоль канала

64

теплообменного элемента приводит к конденсации насыщенного пара в виде устойчивой плёнки на поверхности вертикальной стенки теплообменника, которая смачивает его поверхность. Толщина плёнки δж меняется в зависимости от длины ~х теплообменного элемента [2].

Предполагаем, что движение плёнки при турбулентном движении парогазовой смеси носит ламинарный характер, переносом тепла конвекцией и теплопроводностью вдоль плёнки пренебрегаем. Будем учитывать, что силы инерции, возникающие в плёнке конденсата гораздо меньше сил мощности и тяжести, трение на границе паровой и жидкой фаз практически равно нулю, температура внешней поверхности плёнки конденсата постоянна в данном сечении ~х и равна температуре насыщения tн, силы поверхностного натяжения не влияют на характер её течения, физические параметры конденсата не зависит от температуры, плотность пара пренебрежимо мала в уравнении с плотностью конденсата.

Согласно [3] толщина плёнки конденсата δ определяется формулой Нуссельта:

где tн, tс1 – соответственно температура насыщения плёнки конденсата (точка росы), температура внутренней стенки теплообменника (tc=tc1), оC; g ≈ 9,81 – ускорение силы тяжести, м/с2; λж –коэффициент теплопроводности плёнки конденсата, Вт/(кг·град); ρж – плотность плёнки конденсата, кг/м3; μж – коэффициент динамической вязкости плёнки конденсата, Н·с/м2; r – удельная теплота фазового перехода, Дж/кг.

Учитывая, что выполняются условия к= r 5 , 1<Рr≤500, можно считать, что cРЖ (tH − tc )

формула (16) справедлива для данного эксперимента, где срж – теплоёмкость плёнки конденсата, Дж/град.

Из формулы (16) следует, что толщина плёнки конденсата колеблется в пределах (0,6÷0,9)·10-6м, что значительно увеличивает термосопротивление стенок в сравнении с обдувом стенок сухим воздухом.

Другим немаловажным фактором, снижающим коэффициент теплопередачи α, является шероховатость внутренней обтекаемой поверхности теплообменника, которая также снижает эффективность теплопередачи [3].

Это повлекло за собой снижение критерия Nu на 15-20 % по сравнению со значениями этого критерия для сухого теплоносителя

Отметим, что критериальное уравнение Нуссельта примет вид:

где спр – коэффициент пропорциональности для шероховатой поверхности, обдуваемой паровоздушной смесью, который изменяется в пределах от 0,0323 до 0,0337; εl – поправочный коэффициент на изменение коэффициента теплоотдачи в начальном термическом участке.

Учитывая, что отношение длины канал ℓ к эквивалентному диаметру канала dэ равно

где х - расстояние от начала канала до производного нормального сечения, м2.

III. Процесс конденсации влаги влияет на величину влагосодержания паровоздушной смеси в теплообменнике. Кроме того, этот показатель зависит от геометрических параметров рабочей камеры теплообменника (рис. 7, 8).

65

плоские стёкла (скорость 7,5 м3/с); плоские стёкла (скорость 9,0 м3/с); плоские стёкла (скорость 10,5 м3/с); армированные стёкла (скорость 7,5 м3/с); армированные стёкла (скорость 9,0 м3/с); армированные стёкла (скорость 10,5 м3/с);

В эксперименте установлено:

а) относительная влажность φ парогазовой смеси в теплообменнике падает по длине канала за счёт увеличения её охлаждения встречным потоком нагреваемого сухого воздуха вдоль, подаваемых вдоль наружных стенок камеры;

б) увеличение скорости нагреваемой паровоздушной смеси приводит к более интенсивному уменьшению относительной влажности вдоль стенки канала , что объясняется большой интенсивностью отъёма влаги с ростом скорости потока;

в) геометрические параметры рабочей камеры (шероховатость, армированность) приводят к заметному уменьшению относительной влажности φ вдоль стенок за счёт более интенсивной конденсации влаги на шероховатой и более теплоёмкой поверхности.

1.Сравнение результатов опытов по продольному обдуванию вертикальных стеклянных поверхностей при нагревании воздушной или паровоздушной средами с охлаждающим воздушным противотоком показывает, что охлаждение паровоздушной средой значение критерия Нуссельта получат на 15-20 % меньше по отношению к значению этого критерия при охлаждении воздушной среды.

2.Появление плёнки конденсата снижает эффективность теплообмена за счёт повышения термического сопротивления стенок теплообменника.

3.Относительная влажность паровоздушной смеси уменьшается вдоль стенок теплообменника за счёт: встречного воздушного охлаждающего противотока сухого воздуха, увеличения скорости подачи паровоздушной смеси и геометрических параметров канала (шероховатость и армированность).

Библиографический список

1.Кобелев Н.С., Ежов В.С., Семичева Н.Е., Тютюнов Д.Н., Бойцова Е.А. Теплообмен в многоканальном стеклоблочном теплообменнике /Н.С. Кобелев// Известия КурскГТУ. – 2008. – №1. – с.44-49

2.Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 2001. –

439с.

66

influence of the noise on forehead-age, are enumerated main european legislative acts in the field of fights with noise, some achievements of the modern science and technology in reduction shu-мового of the influence. The Question is considered with reference to to production on-мещениям with standpoint engineering and architectral acoustics.

Немецкий акустик проф. М. Хекл заметил, что технологии, основной тенденцией которых было «больше, быстрее, выше», на современном этапе сменились новыми, тенденция которых «лучше, безопаснее, тише». Это выражение относится и к шумовому загрязнению окружающей среды. Актуальность этой проблемы лишь возрастает от века к веку. Растет индустриализация цивилизации, появляются все новые и новые технологии и отрасли деятельности человека, что ведет к покорению новых научных и технических вершин, но и влечет за собой новые проблемы.

Акустическое загрязнение является одной из глобальных проблем современной экологии, наряду с парниковым эффектом, разрушением озонового слоя, загрязнением воды и атмосферы, накоплением радиоактивных отходов и др.

Есть мнение, что более 30% всех болезней у жителей городов связаны с длительным воздействием повышенного шума: утомление, повышение кровяного давления, язва желудка, ухудшение памяти, нервно-психические заболевания. Сильный шум может также приводить к агрессивности, ослаблению слуха и снижению производительности труда.

Широкое внедрение в промышленность новых интенсивных технологий, мощного и высокоскоростного оборудования, использование многочисленных и быстроходных средств наземного, воздушного и водного транспорта, применение разнообразных бытовых приборов - все это привело к тому, что человек на работе, в быту, на отдыхе, при передвижении подвергается многократному воздействию вредного шума.

Можно говорить о трех аспектах воздействия шума на человека: социальном, медицинском и экономическом.

Заболевания, связанные с воздействием шума и вибрации, занимают первые места среди всех профессиональных болезней. В России их доля составляет более чем 35% общего числа профзаболеваний [1]. При уровнях шума свыше 80 дБА каждое увеличение его на 1-2 дБА вызывает снижение производительности труда не менее чем на 1%. К сожалению, на сегодняшний день машины и оборудование, соответствующие санитарным требованиям по шуму, крайне дороги. Снижение шума на один децибел обеспечивает повышение стоимости продаваемого изделия на 1%.

Средства, выделяемые на все мероприятия по борьбе с шумом, только для стран ЕС составляли в конце ХХ в., по очень скромным оценкам, 38-40 млрд. евро в год, или почти 1% ВВП [1]. Эти работы дали свои результаты. По данным табл. 1 видно, что для многих машин, установок, транспортных средств, агрегатов за прошедшие 45-50 лет уровень шума снижен на 15-30 ДБА, что очень эффективно.

Отметим также впечатляющие результаты, полученные и на многих производственных предприятиях. В табл. 2 приведены уровни шума для нескольких рабочих мест на одном из современных заводов в недалеком прошлом и в настоящее время. Видно, что лишь за одно двадцатилетие достигнуто снижение шума на этих местах на 15—20 дБА.

В странах ЕС действует практика принятия директив Европейского парламента, которые направлены на соблюдение единых требований, норм, измерительных процедур в области борьбы с шумом.

Например:

-директива 2003/10/ЕС «О требованиях по безопасности и охране здоровья рабочих под действием шума»;

-Директива 2002/49/ЕС «Об оценке шума в окружающей среде»;

-Директива 2002/30/ЕС «О правилах и процедурах оценки шума в аэропортах» и др.

68

Таблица 1

Снижение шума во второй половине ХХ в.

Все эти достижения позволили снизить темпы шумового загрязнения. Но в то же время еще немало машин, установок, транспортных средств, шум которых остается на прежнем уровне. Кроме того, число источников шума неуклонно растет. Наступление шума замедлилось, но проблема борьбы с ним по-прежнему актуальна.

В условиях рыночных отношений каждый производитель продукции, создающей шум, должен принимать эффективные меры для его снижения в соответствии с действующими нормами. Этот особенно актуально в связи со стремлением нашей страны во всемирную торговую организацию, что требует приведения качества наших товаров и услуг по различным параметрам до уровня европейских аналогов. Данные требования касаются, в том числе, и шумозащиты, показатели которой должны соответствовать требованиям защиты окружающей среды и обеспечивать безопасность рабочих.

Человек страдает от повышенного уровня шума повседневно и повсеместно, но особенно опасно воздействие сильного шума в течении продолжительного времени. В первую очередь это касается обслуживающего персонала промышленных предприятий. Наблюдаемая интенсивность шума в децибелах от различных источников приведена в таблице 3 [2].

Одним из интенсивных источников шума являются системы вентиляции и кондиционирования воздуха, широко применяемые для создания комфортных климатических условий на производстве и в быту. Шум этих систем обусловлен главным образом входящими в их состав вентиляторами. Борьба с шумом вентиляторов в различных отраслях промышленности приобрела в настоящее время большое значение. Жесткие

69

допустимые нормы уровней шума в производственных, общественно-бытовых и жилых помещениях требуют не только создания малошумных установок вентиляции и кондиционирования воздуха, но и модернизации действующих установок с целью снижения их шума

Таблица 3 Наблюдаемая интенсивность шума в децибелах от различных источников

В ряде отраслей промышленности (в судостроении, авиации и т.п.) разработаны высокоэффективные методы и средства борьбы с шумом в источнике его возникновения, в проточных частях вентиляторов, а также созданы малогабаритные глушители, обеспечивающие в широком диапазоне звуковых частот значительное снижение уровней шума. Методы расчета, разработанные для транспорта, с успехом могут быть использованы в производстве и в быту.

Общими требованиями, предъявляемыми в настоящее время к вентиляторам, являются высокая надежность, экономичность, низкая стоимость и невысокие уровни шума[3].

Должное внимание начинают уделять архитектурной акустике. Последние тридцать лет характеризуются не только исключительным развитием научной и технической стороны этого предмета, но также и значительным ростом приложения практических достижений архитектурной акустики при постройке различного рода зданий.

Всем известно, что и архитекторы и строители с большим беспокойством ждут акустического результата постройки аудиторий.

Опыты и исследования, проводимые учеными, работающими в области инженерной акустики, были, в основном, направлены на сооружение помещений с наилучшей слышимостью оратора аудиторией. Во многих закрытых аудиториях применялись резонаторы, главным образом параболической формы, с целью направить достаточное количество звуковой энергии по направлению к наиболее отдаленным слушателям. Известным американским физиком Джозефом Генри были сделаны выводы, о том, что длительность отдельного звука и стремление к смешиванию при восприятии будет зависеть от размера помещения, от силы звука или интенсивности импульса, от расположения отражающих поверхностей и от природы материала отражающих поверхностей [4].

Звуковым колебаниям, как и любой другой волне, присущи явления интерференции и дифракции. Человек ежеминутно подвергается одновременному воздействию множества, наложенных друг на друга звуков.

При одновременном действии двух простых тонов равной силы и высоты от различных источников существенное значение имеет длина пути звуковых лучей. Если разница расстояний источников звука от наблюдателя равна четному числу полуволн, то сжатые слои одной системы волн должны совпадать с такими же слоями другой системы; энергия сжатия и разрежения воздуха суммируется и вызывает усиление звука. Если указанная разница составляет нечетное число полуволн, то сжатые слои одной системы совпадают с разреженными другой, ординаты равнодействующей кривой колебаний как разность составляющих становятся равны нулю, звук погашается. В промежуточных условиях

70

результативная сила звука колеблется между вышеуказанными пределами, приближаясь к тому или другому в зависимости от разницы в длине звуковых лучей.

Явление интерференции получает иную форму при совокупности звуков различной высоты, т.е. при различной длине составляющих волн. Число периодов сложного звука равно разности чисел периодов составляющих тонов [2].

Число периодов сложного звука ограничено и может быть ощутимо для слуха, из-за наличия в каждом периоде своего максимума и минимума силы звука. Это явление называется дрожанием, а моменты усиления звука — биениями. Вибрация же есть не что иное, как биение с числом периодов менее шести в секунду.

Таким образом, большое влияние на результирующую звуковых волн в той или иной области пространства влияет расположение источников звуковых волн относительно друг друга и точек восприятия.

Важное влияние на конечную картину звукораспределения оказывает и дифракция волн, которая выражается в огибании ими препятствий. Данное явление необходимо учитывать при проектировании шумозащиты помещений со множеством источников звука. Так, прохождение звука через отверстия меньше, чем через щели при их одинаковой площади (рис. 1, б и г), а длина звуковой тени lт зависит от соотношения длины звуковой волны и размеров отверстия.

Рис. 1. Дифракция звуковых волн на препятствиях, щелях и отверстиях различных размеров.

Полезный акустический эффект может быть достигнут применением различного рода вогнутостей и выпуклостей ограждающих поверхностей помещения, т.к. с их помощью представляется возможным направлять звуковые волны в нужном направлении, отражать, рассеивать в окружающее пространство или передавать звуковую энергию без потерь.

Любое отражение увеличивает силу звука. Отражения от выпуклых поверхностей тем сильнее увеличивают звукорассеяние, чем меньше радиус кривизны поверхности. Вогнутые поверхности при отражении могут сокращать, сохранять и увеличивать звукорассеивание по сравнению с плоской поверхностью в зависимости от относительного расположения источника звука от центра кривизны поверхности.

Если источник звука отстоит от поверхности менее половины ее радиуса, отраженные лучи получают расходящиеся направления, причем углы между ними менее углов,

71