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

бенностей камер и применяемых в них форсунок, а также гид­ родинамических факторов.

В настоящее время рекомендации по повышению эффек­ тивности типовых форсуночных камер не всегда достаточно обоснованы, что наглядно видно на примере камер новой серии Кт. Необходимо дальнейшее уточнение физической кар­ тины процессов тепло- и массообмена в форсуночных каме­ рах, увеличение их эффективности работы и совершенствова­ ние конструкции.

3. Современные методы теплотехнического расчета камер орошения

В отечественной и зарубежной практике кондиционирова­ ния воздуха используется несколько методов получения рас­ четных соотношений для теплотехнического расчета камер орошения. Эти методы можно разбить на две основные груп­ пы, в зависимости от принятого в них подхода для решения задачи. К первой группе относятся методы расчета с использо­ ванием коэффициентов эффективности, ко второй — с исполь­ зованием условных коэффициентов тепло- и влагообмена а. и а.

Методы с применением коэффициентов эффективности ос­ нованы на графических построениях в I—d диаграмме. Их сущность заключается в сравнении реального процесса, проте­ кающего в камере орошения, с идеальным процессом, проис­ ходящим при тех же условиях, когда состояние воздуха, выхо­ дящего из аппарата, характеризуется полным насыщением, а температура принимается равной расчетной температуре воды. Условно идеальный процесс изображается в I—d диаграмме прямой линией, соединяющей точку начального состояния воз­ духа с точкой на кривой ф= 100%, имеющей расчетную темпе­

ратуру воды. Реальный процесс отличается от идеального’ тем, что В' действительности конечное состояние воздуха не является насыщенным и, кроме того, направление процесса, как правило, отличается от идеального.

В зависимости от выбора расчетной температуры воды возможны различные выражения для коэффициентов эффек­

тивности. В случае ориентирования идеального процесса на температуру воды tHn=t^£K и при отклонении реального про­ цесса вправо от идеального

20

Выражение (1.13) было предложено в 1940 г. Д. А. Гоголи­ ным и используется в отечественной и американской практи­ ке [31, 62, 65].

По мнению Б. В. Баркалова [13, 41], идеальный и реаль­ ный процессы обработки воздуха могут быть представлены в I—d диаграмме одной прямой, причем реальный процесс за­ канчивается при более высокой температуре воздуха, а пара­ метры'насыщенного воздуха определяются по конечной тем­ пературе воды. Тогда

Выражение (1.1Д) применяли в своих работах О. Я. Коко­ рин [85], О. А. Кремнев [160], В. Н. Кефер [72], использует­ ся оно также в американской литературе [169], [182].

Для расчета процессов изоэнтальпийного увлажнения воз­ духа широко применяется [62, 64, 181] коэффициент эффек­ тивности вида

В Западной Германии нашел применение коэффициент эф­ фективности, полученный при ориентирбвании идеального процесса на начальную температуру воды

М“ *WH

Впоследнее время в ФРГ [191] эффективность увлажне­ ния выражают коэффициентом вида

d2 dj

(1.17)

dHdi ’

Интересно отметить, что коэффициент вида (1.17) бцл при­ менен А. В. Пузыревым [124] более тридцати лет назад.

С помощью указанных коэффициентов эффективности в об­ щем случае можно определить только один параметр конечно­ го состояния воздуха — его температуру или теплосодержа­ ние. Между тем, для практических расчетов процессов тепло- и массообмена в камерах орошения необходимо знать и вто-

21

рой параметр. Е. Е. Карписом [65] было предложено исполь­ зовать для этой дели так называемый универсальный коэффи­ циент эффективности теплообмена

Приведенные выше коэффициенты эффективности характе­ ризуют отношение теплообмена в реальной камере орошения к максимально возможному теплообмену при различной ори­ ентации идеальных процессов и не были получены в резуль­ тате какого-либо математического вывода или анализа. Е. Е. Карписом [65] и А. Г. Аничхиным [5] была предпринята по­ пытка теоретически обосновать формулы для коэффициентов эффективности. Аналогичные выводы имеются и в работах 'О. Я. Кокорина [84,. 86]. Представляется целесообразным ос­ тановиться на этих выводах подробнее.

В теории теплопередачи [111] при расчете конечной тем­ пературы жидкостей в рекуперативных аппаратах для случая прямотока дается вывод выражения

Этот вывод сделан в предположении, что коэффициент теп­ лопередачи вдоль поверхности нагрева остается постоянным. Выражение (1.19) по форме напоминает коэффициент эффек­ тивности Е0, разница только в том, что в выражении для Е0 значения температур по сухому термометру ti и заменены на соответствующие значения температур по мокрому термо­ метру tMi И tM2-

Если предположить, что поверхность контакта в камере орошения непрерывна, и ввести вместо коэффициента теплопе­ редачи коэффициент полного теплообмена ап, то можно полу­ чить следующее выражение [65]

Следовательно, согласно выводу Е. Е. Карписа, коэффи­ циент эффективности Е0 выражает экспоненциальный закон изменения температурного напора в камерах орошения.

22

Вывод выражения (1.20) возможен при условии m= const. Вместе с тем, как видно из приведенной ниже таблицы, зна­ чения коэффициента ш зависят как от абсолютного значения температуры tMi, так и от разности tMi—tM2. На непостоянство' коэффициента m указано также в работах [31] и [47].

что коэффициент теплообмена остается постоянным вдоль по­ верхности контакта, а движение сред принято противоточным. Вместе с тем, такие предположения применительно к камерам орошения неправомерны. Дискретная структура поверхности переноса в форсуночных камерах не позволяет выделить ка­ кое-либо определенное фиксированное значение коэффициен­ та теплообмена. Кроме того, анализ гидродинамических усло­ вий переноса показывает, что значение коэффициента тепло­ отдачи изменяется вдоль поверхности контакта в широких пре­ делах. Как пример в таблице приведены значения критерия Nu для капли диаметром 0,5 мм при встречном направлении дви­ жения:

Таким образом, аналитические зависимости, полученные в работах [5] и [86] для коэффициентов эффективности, носят формальный характер и не имеют строгого физического смыс­ ла.

Подробно недостатки методов расчета камер орошения с использованием различных коэффициентов эффективности рас­ смотрены в работе Л. М. Зусмановича [47]. Однако согласить-, ся с выводом автора о нецелесообразности использования ко-

23

эффициентов эффективности при инженерных расчетах нель­ зя, так как практически это означало бы невозможность рас­ чета процессов обработки воздуха в камерах орошения. Опыт эксплуатации установок кондиционирования воздуха под­ тверждает правомерность данного метода расчета для опреде­ ленного типа камер. Аналогичные рекомендации даются и в американской и немецкой справочной литературе [176, /77].

В то же время, как показано выше, выражения для коэф­ фициентов эффективности не могут рассматриваться в качест­ ве математических зависимостей между величинами, опреде­ ляющими процессы тепло- и массопереноса в камерах ороше­

смысл. Это исключает возможность исследования действитель­ ных физических связей между коэффициентами эффективно­ сти и величинами, определяющими процесс изменения состоя­ ния воздуха. Следовательно, применение коэффициентов эф­ фективности в исследовательских работах лишает получаемые функциональные зависимости физического смысла и поэтому представляется нецелесообразным.

Расчет камер орошения по коэффициентам тепло- и массо­ переноса а и о (последний численно совпадает с коэффициен­ том полного теплообмена, отнесенным к разности энтальпий) основывается на исследованиях Льюиса [184, 185] и Ф. Мер­ келя [186].

Оба коэффициента можно определить-'-из уравнений (Г.5) и (1.7), которые целесообразно преобразовать к виду:

G Oi —12)‘Ср/

( 1.21)

F-Atp

G (It - I2)

( 1.22)

F-AIn

Теперь достаточно экспериментально определить расход воздуха, а также начальные и конечные параметры взаимо­ действующих сред, и можно получить величины а и а, причем из-за невозможности определить истинную поверхность кон­ такта эти коэффициенты относят обычно к площади попереч­ ного, сечения камеры [31, 35, 64]. Естественно, что величины аист зависят от условий проведения опытов, поэтому резуль­ таты исследований обрабатываются в виде зависимостей

24

Кроме этого, величины аи ст зависят от начальных пара­ метров воздуха и воды. В работе [85] влияние начальных ус­ ловий предлагалось учитывать с помощью параметра

Phi Pwh

где Phi — давление насыщения водяных паров при начальной температуре воздуха, мм. рт. ст.;

рП1 — начальное парциальное давление водяных паров в- воздухе;

pWH — давление насыщения водяных паров при начальной температуре воды.

Е. Е. Карпис [64] предложил для учета начальных пара­ метров взаимодействующих сред безразмерный температур­ ный параметр

Т0 = £---- (1-26>

Введение комплексов Т0 и р позволило расширить областьприменения получаемых экспериментально зависимостей для. а и о, хотя эти комплексы неприемлемы для описания процес­ сов охлаждения и осушки насыщенного влажного воздуха.

Основные недостатки метода расчета камер орошения го> коэффициентам тепло- и массопереноса связаны с незнанием действительной поверхности взаимодействия воздуха и воды. При обработке экспериментальных данных по формулам (1.21) и (1.22) условная поверхность контакта для данной ка­ меры равна поперечному сечению и является постоянной ве­ личиной. В действительности же величина поверхности пере­ носа зависит от многих конструктивных факторов (типа рас­ пылителей, диаметра сопла и плотности расположения форсу­ нок, числа их рядов и т. д.), от давления воды перед форсун­ ками и изменяется в широких пределах. Вследствие этого и коэффициенты аист оказываются зависящими от очень боль­ шого числа факторов. Кроме того, экспериментальные выра­ жения для аист, полученные на камере с определенным попе­ речным сечением, строго говоря, не могут быть применены для расчета камер с другим сечением.

Указанные недостатки привели к тому, что метод условных коэффициентов тепло- и массоотдачи не нашел практического* применения при теплотехнических расчетах камер орошения.

25

При расчете необходимо задаваться начальной температу­ рой воды с тем, чтобы в итоге коэффициенты В) и Вг оказа­ лись бы равны между собой.

При выводе расчетных зависимостей Л. М. Зусманович принял ряд допущений, которые, строго говоря, не отражают физической сущности процессов, протекающих в камерах оро­ шения. Так, автор считает, что при совместно протекающих процессах теплообмена и влагообмена движущую силу тепло­ обмена следует представить в виде суммы двух величин — гигрометрической разности температур воздуха и температур­

Однако зависимость (1.33) имеет чисто формальный характер.

Это особенно отчетливо видно при рассмотрении основного уравнения тепло- и влагообмена, преобразованного с учетом,

скобках не имеет физического смысла, поскольку в нем прос­ то нет температуры воды. В дальнейших выводах предпола­ гается равенство коэффициента а для первого и второго сла­ гаемых, тогда как коэффициент теплоотдачи зависит от тем­ пературы. Кстати, это замечание Л. М. Зусманович считает одним из основных при выводе математических выражений для коэффициентов эффективности. Из уравнения тепловогобаланса следует, что при tp = twa массообмен отсутствует, а полный теплообмен равен явному. Однако все эксперименталь­ ные исследования показывают, что действительный процесс в камерах орошения протекает при температурах выше, чем да­ же конечная температура воды.

Для вычисления коэффициента пропорциональности а в. работе [53] предлагаются формулы справедливые и при ip=tWH, хотя, как следует из самого определения, коэффици­ ент а в этом случае не имеет смысла. Необоснованным являет­ ся допущение, что поверхность переноса в камере орошения

ха [102]. В то же время, это допущение является основопола­ гающим для всех последующих теоретических выводов. Для оценки гидродинамических условий тепло- н массообмена

27'

Л. М. Зусманович считает достаточным использовать лишь один коэффициент орошения, ссылаясь при этом на то, что ве­

личины перепадов теплосодержаний Д1 и температур ДТ не зависят от сочетаний давления воды и массовой скорости воз­ духа, если В= const, но при этом не учитывается тот факт, что общее количество тепла, переданного от воздуха к воде, при изменении Vy различно. Таким образом, метод расчета, пред­ ложенный Л. М. Зусмановичем, не имеет преимуществ перед методами с использованием коэффициентов эффективности, поскольку не дает возможности более глубоко раскрыть связь, определяющую физическую картину тепло- и массопереноса

вкамерах орошения.

Впоследнее время Е. В. Стефановым [136] предложен но­ вый метод оценки эффективности форсуночных камер при об­ работке экспериментальных данных с помощью чисел еди­

ниц переноса явного NTUHи полного NTU тепла. Эти пока­ затели довольно широко применяются в американской практи­ ке [96] для расчетовпроцессов и аппаратов химической тех­ нологии. Преимуществом этого метода является возможность оценивать действительную эффективность процессов, происхо­ дящих в теплообменных аппаратах, объективно сравнивать разные по конструкции аппараты и производить их расчет при неизвестной истинной поверхности тепло- и массообмена.

Можно показать, что NTUH и NTU выражаются через ве­ личины, легко получаемые из эксперимента, если зависимости для элементарных количеств тепла, отдаваемого воздухом и воспринимаемого водой, представить в виде:

С другой стороны, элементарные балансы тепла можно выразить через действительные коэффициенты тепло- и влагообмена

где

tw — температура поверхности воды;

Iw — энтальпия воздуха на границе воздух — вода; F —-истинная поверхность тепло- и массообмена.

После решения уравнений (1.36) и (1.37) совместно с

(1.34) и (1.35) получим

28

Интегрируя (1.38) и (1.39) по всей поверхности тепло- и массообмена от начального состояния 1 до конечного состоя­ ния 2, имеем:

Обработка результатов опытов сводится к установлению функциональных связей между числами единиц переноса и факторами, определяющими протекание процессов тепло- и массообмена. Для оценки величины отклонения реального процесса от идеального Е. В. Стефановым предложен так на­ зываемый критерий совершенства процесса

Как видно из выражений (1.40) и (1.41), число единиц пе­ реноса тепла является безразмерной характеристикой тепло­ обменника с точки зрения возможностей теплопередачи. В ра­ боте [96] указано на преимущества расчетов с использовани­ ем NTU рекуперативных теплообменных аппаратов. Эти пре­ имущества состоят в уменьшении числа зависимых перемен­ ных, сокращении трудоемкости расчетов и в упрощении тех­ ники вычислений. Применительно к расчетам тепло- и массо­ обмена в камерах орошения указанные преимущества оказы­ ваются еще более значительными, так как в этом случае не­ известными величинами являются и поверхность переноса и коэффициент теплообмена. Поэтому сгруппирование данных величин в один безразмерный параметр представляется обос­ нованным и целесообразным, тем более, что значения NTUhh NTU легко определяются из опытов.

Достоинства методики расчета с помощью чисел единиц переноса явного и полного тепла позволяют использовать эту методику как для теоретического анализа, так и при обработ­ ке экспериментальных данных.

29