книги из ГПНТБ / Тарабанов, М. Г. Тепло- и массоперенос в камерах орошения кондиционеров с форсунками распыления учебное пособие

предполагает наличие подобия процессов тепло- и массообмена. Однако вопрос о подобии процессов переноса тепла и мас­ сы и о влиянии массообмена ^на интенсивность теплообмена, несмотря на широкую освещенность в литературе, остается до сих пор открытым.

Анализ дифференциальных уравнений, описывающих сов­ местно протекающие процессы тепло- и массопереноса, выпол­ ненный Л. Д. Берманом [18, 20], позволяет сделать вывод о наличии приближенной аналогии между этими процессами. Влияние’ массообмена на теплообмен, по мнению Л. Д. Бер­ мана [17] и А. А. Гухмана [40], в конечном счете определяет­ ся направлением поперечного потока вещества. Если это на­ правление приводит к уменьшению толщины пограничного слоя (конденсация, отсос газа), то процесс теплообмена ин­ тенсифицируется. В противоположном случае, если происхо­ дит увеличение толщины пограничного слоя (испарение, вдув газа), следует ожидать уменьшение интенсивности теплообме­ на. Вместе с тем, имеются экспериментальные данные, свиде­ тельствующие как об уменьшении интенсивности теплообмена при испарении [17, 154], так и о его интенсификации [115, 128]. Для объяснения результатов, полученных в работах [115, 128], А. В. Лыковым [103, 104], была предложена гипотеза объемного испарения. Суть этой гипотезы состоит в том, что в пограничный слой попадают мельчайшие капельки жидкости со свободной поверхности. Выносу этих капелек в погранич­ ный слой способствует тепловая флуктуация молекул жидкос­ ти, а также кзаимодей'твие птока влажного воздуха с по­ верхностью жидкости. Это объемное испарение частиц жид­ кости в пограничном слое и служит причиной интенсификации теплообмена. А. В. Лыков не отрицает влияния массообмена на профили температуры и скорости в пограничном слое в процессах испарения, однако считает, что в случае небольшой плотности поперечного потока пара указанное влияние подав­ ляется эффектом объемного испарения и в результате проис­ ходит увеличение коэффициента теплообмена при испарении по сравнению с сухим теплообменом.

Следует отметить, что, по мнению А. В. Лыкова [102], по­ добие полей копцедтраций и температур над поверхностью ис­ парения не соблюдается. Это подтверждается также исследо­ ваниями А. Н. Нестеренко [115] и Н. Ф. Докучаева [441. Вместе с тем анализ экспериментальных данных работ [115] и [44] показывает, что для условий вынужденного'движения воздуха при небольшом температурном перепаде кривые, опи­

10

сывающие распределение температуры и концентрации в по­ граничном слое, примерно подобны.

Вопросу подобия совместно протекающих процессов тепло- и массообмена посвящены многие работы и в области конди­ ционирования воздуха. При этом большинство работ объясня­ ют причины несоблюдения отношения Льюиса при осуществле­ нии в камерах орошения политропических процессов обработ­ ки воздуха. Значительный интерес к этому соотношению объ­ ясняется тем, что его соблюдение в камерах орошения позво­ лило бы свести эксперименты к изучению лишь одного процес­ са переноса (тепла или влаги) и значительно упростить экспе­ риментальные исследования и расчеты. Кроме того, правиль­ ный ответ на данный вопрос позволил бы уточнить физиче­ скую картину процессов тепло- и массообмена в камерах оро­ шения.

Отношение Льюиса сохраняет практически постоянное зна­ чение для процессов изоэнтальпийного увлажнения возду­ ха [64], хотя перенос несколько зависит от начальных пара­ метров обрабатываемого воздуха [127]. Для политропических процессов отношение Льюиса в камерах орошения не соблю­ дается, кроме обработки насыщенного воздуха [63], [54].

Впервые на данное обстоятельство обратил внимание в 1936 году А. А. Гоголин при испытании вертикальных форсу­ ночных воздухоохладителей [35]. Им было установлено, что при режимах охлаждения и осушения воздуха повышенное значение отношения а/а наблюдалось в тех опытах, в которых состояние выходящего из камеры воздуха значительно от­ клонялось в сторону увеличения влагосодержания от линии теоретического процесса в 1—d диаграмме. Это явление полу­ чило название доувлажнения.

В настоящее время предложены различные толкования причин несоблюдения отношения Льюиса, причем основное внимание уделено процессам охлаждения воздуха с осушкой.

А. А. Гоголиным [34] отклонение реального процесса от теоретического было объяснено тем, что в камерах орошения обычно происходят два различных процесса влагообмена: осушение воздуха на основной поверхности воды и его увлаж­ нение на второй части поверхности, нагревшейся в проходя­ щем воздухе до температуры мокрого термометра. Увлажняю­ щая поверхность расположена в конце аппарата по ходу воз­ духа и представляет собой мелкие капли воды, относимые воздушным потоком. По мнению А. А. Гоголина, можно счи­ тать справедливым отношение Льюиса для камер орошения в

11

тех случаях, когда на всей поверхности воды происходит один и тот же процесс влагообмена.

Е. Е. Карписом [63] на основании экспериментальных ис­ следований тепло- и массообмена при различных процессах обработки воздуха были получены уравнения для определения коэффициентов отдачи явного а и полного тепла с в зависи­ мости от гидродинамических условий и начальных параметров

и коэффициента влаговыпадения £. Причиной переменности этого комплекса Е. Е. Карпис считает болыцую зависимость от начальных параметров воздуха и воды коэффициента сс, чем а.

Влиянием начальных параметров воздуха и воды объясняет изменение соотношения а/а и О. Я- Кокорин [82, 83]. Для ха­ рактеристики соотношения начальных параметров взаимодей­ ствующих сред при всех возможных режимах протекания про­

Физическую причину несоблюдения соотношения Льюиса О. Я. Кокорин видит в нарушении подобия необходимых усло­ вий однозначности в совместно протекающих процессах тепло• и массспереноса при различных -режимах обработки воздуха. Для специальной оценки О. Я- Кокорин выделяет два условия однозначности: 1) соответствие геометрического равенства границ потоков тепла и массы; 2) соблюдение подобия изме­ нения температур и парциальных давлений в сходственных точках аппарата. Используя зависимость a/а от параметра 0Т, О. Я- Кокорин делает вывод, что геометрические границы для потоков тепла и массы одинаковы, а изменение температур и парциальных давлений по поверхности контакта имеет харак­ тер подобия лишь для следующих режимов: охлаждение с осушкой насыщенного воздуха; изоэнтальпийное увлажне­ ние; изотермическое увлажнение и охлаждение воды в градир­ нях. Однако в режимах с двойственным характером процессов переноса массы указанные условия однозначности нарушают­ ся, причем для случаев охлаждения воздуха с понижением теплосодержания и увлажнения воздуха с понижением

12

температуры процессы испарения способствуют более интен­ сивному отнятию тепла и получению более высоких значении коэффициентов а.

В то же время выполненный О. Я- Кокориным анализ не дает ответа на многие важные вопросы. В самом деле, остает­ ся не объясненным, почему для режимов, близких к адиаба­ тическому, происходит резкое скачкообразное увеличение зна­

0,24; аналогично, при Twi= 22°C имеем а/ст= 0,47. Очевидно, небольшой дополнительный перенос массы не может оказать столь сильного влияния на теплообмен. Не может быть объяс­ нен и тот факт, что в пределах одного и того же режима про­ исходит как увеличение, так и уменьшение величины а/о. Не­ обходимо отметить, что при построении графика зависимости aja— f(0T) О. Я. Кокорин использовал опыты Л. М. Зусмановича и Л. Д. Бермана, в то же время эти авторы как раз не отрицают существование приближенной аналогии между теп­ ло- и массопереносом, особенно в условиях камер орошения

[18, 53].

В работе И. И. Логвииского [101] предпринята попытка теоретически обосновать, что отношение теплового и диффузи­ онного критериев Нуссельта не равно 1 как при адиабатиче­ ском, так и при политропических процессах обработки возду­ ха. В первом случае отклонения отношения Льюиса от теоре­ тического значения, по мнению И. И. Логвииского, обуслов­ лены ламинарным режимом движения в пограничном слое, а во втором случае на величину отношения Льюиса, кроме того, оказывают влияние нестационарность процессов и неравенст­ во размеров термического и диффузионного теплового слоев. Подобие процессор тепло- и массообмена при политропиче­ ских процессах нарушается из-за отсутствия тождественности соответствующих движущих сил и границ потоков. В ыеоды И. И. Логвииского получены для случая стационарного тепло­ обмена при постоянной температуре воздуха, когда передача тепла в пределах пограничного слоя осуществляется путем теплопроводности, а перенос массы — молекулярной диффузи­ ей. Однако при таких допущениях не учитываются реальные гидродинамические условия в дождевом объеме камер ороше­ ния.

По мнению Л. М. Зусмановича [53], несоответствие отно­ шения суммарных коэффициентов а/а для политропических процессов охлаждения ненасыщенного воздуха теоретическо­

13

му значению еще не свидетельствует о нарушении подобия процессов тепло- и массообмена, а объясняется тем, что в ре­ жимах с двойственным ..характером переноса массы (конден­ сация влаги только на части поверхности) поверхность кон­ такта, на которой происходит передача тепла от воздуха к во­ де, по-видимому, больше, чем действительная поверхность, на которой происходит конденсация влаги.

Наиболее полное объяснение причин нарушения соотноше­ ния Льюиса предложено Е. В. Стефановым [134], который считает, что в камерах орошения происходит раздвоение по­ верхности тепло- и массопереноса на две качественно различ­ ные части. Первая часть поверхности обеспечивает протекание основного процесса обработки воздуха, а на второй части про­ исходит процесс охлаждения и увлажнения воздуха. Причи,- ной образования второй части поверхности является полидис­ персность факела распыла воды. При обработке же экспери­ ментов величины а и а обычно относят к условной поверхно­ сти и не учитывают особенностей, связанных с различными ус­ ловиями теплообмена частиц неодинакового размера. Такая методика обработки экспериментальных данных и приводит к тому, что отношение и/о не сохраняет постоянного значения. По мнению Е. В. Стефанова, увлажнение воздуха происходит не в конце, а в начале аппарата, где имеется максимальная разность температур и парциальных давлений. Однако расче­ ты показывают, что у мелких капель вылет траекторий движе­ ния навстречу потоку воздуха очень мал, поэтому доувлажнение воздуха происходит на уровне первого ряда форсунок и ближе к хвостовой части камеры.

Следует отметить, что причиной отклонения реальных политропических процессов обработки воздуха от теоретических может быть не только доувлажнение. Анализ условий тепло- и массообмена в камерах орошения для крупных капель диа­ метром около 1 мм и более показывает, что эти капли за ко­ роткий период пребывания их в рабочем объеме камеры даже при больших начальных градиентах температур между возду­ хом, и водой нагреваются незначительно. Это приводит к недо­ использованию их охладительной и осушительной способности. Попадая в поддон камеры орошения, такие капли понижают температуру отработавшей воды. Кроме того, нельзя отрицать вывод Е. С. Курылева [95] о наличии разницы между сред­ ней температурой капли и температурой ее поверхности, осо­ бенно, учитывая малое время контакта. В литературе широко известно допущение о безградиеитном нагреве сферических

14

частиц при отсутствии массообмена, когда критерий Bi<0,l и критерий Fo>0,3 [106]. В работе [109] показано, что такое допущение справедливо при значениях критерия Bi<10, ес­ ли Fo<0,05. В этом случае температура в центре шара остает­ ся практически неизменной и равной начальной температуре шара, а о величине температурного градиента по сечению час­ тицы в условиях кратковременного нестационарного теплооб­ мена при граничных условиях третьего рода можно судить па изменению только температуры поверхности тела. Проведен­ ные нами расчеты показывают, что для капель диаметром 1 мм значения критерия Bi могут быть больше 0,3, а крите­ рий Fo достигает значения 0,14-0,15. Следовательно, при оцен­ ке условий теплообмена крупных капель необходимо учиты­ вать внутренний теплообмен и наличие градиента температур по сечению капли.

Таким образом, основная особенность процессов тепло- и массобмена в камерах орошения кондиционеров состоит в том, что .эти процессы осуществляются на дискретной поверх­ ности, имеющей неоднородную полидисперсную структуру при нестационарном движении капель. Это обусловливает проте­ кание в дождевом объеме форсуночной камеры одновременно нескольких, различных по направлению потоков тепла и мас­ сы, процессов переноса. Следовательно,, с физической точки зрения правомерно рассматривать вопрос о постоянстве соот­ ношения Лыоиса лишь применительно к отдельным каплям. Непостоянство экспериментальных значений отношения a/о не может быть использовано для отрицания подобия процессов тепло- и массообмена в камерах орошениях, поскольку эти ко­ эффициенты относятся не к фактической, а к условной поверх­ ности контакта. При теоретическом рассмотрении тепло- и массообмена отдельных капель необходимо учитывать, что.для нестационарных условий время диффузионной релаксации значительно меньше, чем тепловой [157].

2.Развитие науки о тепло- и массообмен'е

вкамерах орошения

Камеры орошения используются для тепловлажностной об­ работки воздуха в системах кондиционирования уже несколь­ ко десятилетий. Прообразом нынешних камер можно считать иромыватель с большим количеством распылительных форсу­ нок й сепаратором, запатентованный в 1906 г. фирмой «Buffalo Ford С°». Исследованию тепло-и массообмена в камерах оро­

15

шения посвящены многочисленные теоретические и экспери­ ментальные работы отечественных и зарубежных авторов. '

■Лучший путь решения той или иной научно-технической проблемы заключается в построении такой аналитической или экспериментальной модели изучаемого явления, которая по­ зволила бы решить задачу достаточно простыми средствами н в самом общем виде, с учетом максимального числа факторов, определяющих изучаемое явление. В теории тепло- и массопереноса обобщение опытных данных принято производить на основе критериальных зависимостей, выражающих связь теп­ лового и диффузионного критериев Нуссельта с критериями, определяющими условия протекания процессов переноса. Из основных работ в этом направлении необходимо отметить ис­ следования Нуссельта' [188, 189], Аккермана [168], А. А. Гух-

мана [37, 38, 39], А. В. Лыкова [103, 104, 105], Л. Д. Берма­ на [16, 17, 19, 21].

Однако использование зависимостей, полученных в ука­ занных работах, предполагает знание гидродинамических и теплофизических условий протекания процессов переноса и поверхности контакта. При исследовании же тепло- и массообмена в камерах орошения гидродинамическая и теплофизи­ ческая обстановка в дождевом объеме чрезвычайно сложна и определяется большим числом факторов, точный аналитиче­ ский учет которых невозможен. Получение экспериментальных зависимостей в критериальной форме осложняется полидисперсным характером поверхности переноса. Поэтому большин­ ство работ, посвященных исследованию камер орошения, име­ ют конкретный экспериментальный характер и направлены в основном на получение расчетных характеристик для камер определенной конструкции.

Первые отечественные экспериментальные исследования камер орошения относятся к средине и концу тридцатых го­ дов.

В 1935—1936 гг. А. А. Гоголиным и Ф. И. Рудометкиным [35] во ВНИХИ были проведены испытания однорядной вертикальной форсуночной камеры следующих размеров: дли­ на— 2 м, ширина — 0,85 м, высота— 1,7 и 3,4 м. В камере устанавливались форсунки Рефтои с диаметром сопла 2 мм и форсунки Блюма с диаметром сопла 6 мм. В работе изучался режим одновременного охлаждения и осушки при постоянных начальных параметрах воздуха и воды (ti = 28°C; tMi= 20°C; twH —Ю°С).

16

В 1940 г. также во ВНИХИ, под руководством А. А. Гоголина были проведены исследования горизонтальной форсуноч­

сопла 4,5 мм. Для получения требуемых начальных парамет­ ров воздуха непосредственно над испытываемой камерой бы­

| ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛ

задней кромки выходного сепаратора — 1650 мм. Подробно конструкция стенда и условия проведения опытов описаны в. работах [64] и [85]. Указанные исследования позволили раз­ работать рекомендации по конструированию, расчету и экс­ плуатации типовых камер орошения производительностью от 10 до 240 тыс. м3 воздуха в час, серийно выпускаемых про­ мышленностью до 1971 года.

Значительные экспериментальные работы были выполнены также в это время О. А. Кремневым [160] на трехрядной фор­ суночной камере сечением 0,5Х0,6'л2, В. Н. Кефером и В. К. Черниченко [71, 72, 73] на камерах сечением 0,5X0,6 и 0,2X0,28 м2.

Характерной особенностью рассмотренных выше работ яв­ ляется то, что они направлены на обоснование тех или иных характеристик камер, выполненных практически по единой схеме, предложенной еще несколько десятилетий назад. Во всех этих работах камеры изучались интегрально, по созда­ ваемым ими конечным эффектам, а материалы опытов обраба­ тывались в виде эмпирических формул, связывающих различ­ ные коэффициенты эффективности с коэффициентом орошения и массовой скоростью воздуха.

Началом нового этапа в экспериментальном исследовании камер орошения следует считать работы Е. В. Стефанова и В. Д. Коркина [87, 88, 89, 136]. Основной целью этих работ явилось исследование различных факторов, повышающих эф­ фективность работы форсуночных камер. В частности, автора­ ми предложена новая компоновка форсунок с направлением факела распыла поперек воздушного потока и рекомендованы форсунки с увеличенным до 8 мм диаметром сопла, которые менее подвержены засорению.

Говоря об исследованиях камер орошения, необходимо от­ метить и наиболее важные теоретические работы, которые им посвящены. Значительный вклад в разработку теоретических основ и методов расчета камер орошения сделан А. А. Гоголи­ ным [31, 32, 33, 34], О. А. Кремневым [90, 166, 167], Е. Е. Карписом [65, 66]. О. Я. Кокориным [81, 82, 83, 86], П. В. Участ-

киным [152, 153], Е. В. Стефановым и В. Д. Коркиным [88,

количественные зависимости между основными параметрами, определяющими работу форсуночной камеры, а также заме­

18

чены и объяснены некоторые явления, представляющие боль­ шой теоретический интерес (явление доувлажнения, наруше­ ния отношения Льюиса при политропических процессах и др.).

Работы П. В. Участкина посвящены получению аналитиче­ ских зависимостей, выражающих общие связи между факто­ рами, определяющими процессы тепло- и массообмена в ка­ мерах орошения. При этом автор преследует цель разработать единую методику обобщения результатов экспериментов.

O.А. Кремневым предпринята попытка расчета форсуноч­ ных камер по коэффициентам тепло- и массообмена, отнесен­ ным к фактической поверхности переноса.

P.М. Ладыженским дан глубокий анализ термодинамиче­ ских основ расчета форсуночных камер, им рассмотрены ус­ ловия нестационарного тепло- и массообмена сферических ка­ пель воды и воздуха, имеющего постоянную температуру, и

предложена методика теоретического расчета камер. Однако, как справедливо отмечено А. А. Гоголиным [31], в оконча' тельные расчетные уравнения Р. М. Ладыженским внесены та­ кие величины, экспериментально определить которые очень трудно, и поэтому данная методика имеет значение скорее для формирования научного мировоззрения специалистов.

В. Д. Коркиным предложен метод оценки величины и структуры поверхности контакта, который позволяет более обоснованно подходить к выбору форсунок и режимов их ра- - боты, а также дан анализ условий тепло- и массопереноса и изменения температуры капель в.оды в форсуночной камере.

Следует отметить, что в названных работах уделено недос­ таточно внимания рассмотрению тех гидродинамических и теплофизических факторов, которые непосредственно опреде­ ляют процессы переноса тепла и массы. Иногда принципиаль­ ные обобщения обоснованы только теми связями между изу­ чаемыми явлениями, которые лежат на поверхности экспери­ мента и не отвечают физической сущности явлений.

Так, например, Л. М. Зусманович считает, что увеличение плотности расположения форсунок на стояках вызывает боль­ шую коагуляцию водяных капель и укрупнение их размеров, а это приводит к уменьшению поверхности контакта и, как следствие, к уменьшению коэффициентов эффективности. Од­ нако в работе [138] показано, что влияние столкновений ка­ пель на общую поверхность контакта весьма незначительно. Имеется очень много противоречивых выводов о влиянии на эффективность тепло- и массопереноса конструктивных осо-

19