2150

Вращение турбины осуществляется за счет динамического давления воздушного потока, поступающего из воздуховода 9. При вращении турбины происходит вынос частиц (капель, струек) воды из поддона в объем камеры, что способствует постоянному увлажнению лопастей и сегментов турбины и создает условия для образования развитой межфазной поверхности тепломассопереноса. Скорость и направление вращения турбины обеспечивает дроссель-клапан 6, который выполняет функцию направляющего устройства.

При применении роторного (турбинного) устройства необходимость насоса для воды исключается, снижаются энергозатраты на тепловлажностную обработку воздуха. Контактный аппарат роторного типа позволяет реализовать практически все процессы, приведенные графически на рис. 1.1. Он может работать на рециркуляционной и на проточной воде.

Для оценки эффективности тепловлажностной обработки воздуха на основе твердых сорбентов предлагается использовать съемные кассеты в виде объемных рамочных устройств с сетками на передней и задней стенке, содержащих зернистые адсорбенты, например, активированный древесный уголь, силикагель и др. Кассеты помещают в камеру перпендикулярно воздушному потоку.

Разработанный универсальный лабораторный стенд использовался при проведении экспериментальных исследований по разработке эффективных контактных узлов для тепловлажностной обработки воздуха (разд. 3.2, 3.3).

Эффективность работы лабораторного стенда подтверждена несколькими патентами Российской Федерации (№2270958, №87782, №2294490, №2135892) и выпускными квалификационными работами бакалавров и ма-

гистров [114, 187, 189, 198].

3.2. Разработка и исследование эффективных распылителей

воды в воздушных потоках

Основы теории струйных аппаратов были заложены в работах Ж. Цейнера и М. Ренкина в конце XIX века, в ее последующее развитие внесли свой вклад научные исследования К.К. Балуева, Л.Д. Бермана, А.Н. Ложкина, Г.Н. Абрамовича, М.Е. Дейча, Е.Я. Соколова, Н.М. Зингера и др. [1, 54, 166, 171].

В струйных аппаратах осуществляется процесс инжекции, заключающийся в передаче кинетической энергии одного потока другому путем непосредственного контакта (смешивания).

Общая схема струйного аппарата (насоса) приведена на рис. 3.3.

91

– сохранения импульса

где iр, iн, ic, – соответственно, энтальпии рабочего, инжектируемого, смешанного потока, кДж/кг;

Gр, Gн, Gc – соответственно, массовые расходы рабочего, инжектируемого и смешанного потоков, кг/с;

u – коэффициент инжекции (отношение массового расхода инжектируемого потока к массовому расходу рабочего потока):

Iр1 , Iн1 – импульс рабочего и инжектируемого потоков во входном сечении камеры смешения, Н;

Ic3 – импульс смешанного потока в выходном сечении камеры смешения, Н;

f1, f3 – соответственно, площадь потока в сечении 1-1, 3-3, м2.

f1

Первое слагаемое в правой части уравнения (3.3): pdf соответствует

f3

интегралу импульса по боковой поверхности камеры смешивания между сечениями I-I и 3-3.

При разработке эффективных распылителей воды в потоке воздуха для систем кондиционирования воздуха важно учитывать конструктивные особенности водовоздушных и водоводяных струйных аппаратов [88, 166].

Типовые элементы струйного аппарата (входную камеру или конфузор, камеру смешения, диффузор) имеет труба Вентури. Ее устройство и расчетные зависимости, описывающие кинетику процесса, приведены ниже.

Трубу Вентури часто используют для измерения расхода жидкости в трубопроводах [95, 110, 136].

Схема трубы (расходомера) Вентури приведена на рис. 3.4. Расходомер Вентури состоит из двух конических насадков: сужающе-

гося на входе – конфузора 1 и расширяющегося на выходе – диффузора 3 с цилиндрической вставкой – горловиной 2 между ними.

93

Объемный расход жидкости в горловине V, м3/с (соответственно, в самом трубопроводе), равен:

где α – поправочный коэффициент, учитывающий потери давления в трубе Вентури [95, 171].

Выражение, стоящее перед радикалом, является постоянной величиной, носящей название постоянной водомера Вентури.

Полученное уравнение позволяет сделать вывод, что h зависит от расхода V. Часто эту зависимость строят в виде тарировочной кривой h = f(Q), которая имеет параболический характер.

Приведенный обзор свидетельствует о том, что с помощью трубы Вентури при движении сред в ее каналах можно получить участки (сечения) с повышенным скоростным напором и пониженным пъезометрическим напором (уравнение (4.7).

При движении воздушной или жидкой среды через трубу Вентури в сечениях ее элементов статическое и динамическое давление потока отличаются значительно друг от друга. В горловине, где сечение потока наименьшее, а скорость наибольшая, динамическое давление потока возрастает, а статическое – снижается. И наоборот, на выходе из диффузора, где сечение потока наибольшее, динамическое давление уменьшается, а статическое – увеличивается.

Данный эффект Вентури, кроме использования в качестве расходомера сред, применяют в различных технических устройствах [110, 171]:

–в гидроструйных насосах, в частности, в элеваторных тепловых пунктах систем водяного отопления, в танкерах для продуктов нефтяной и химической промышленности;

–в горелках, которые смешивают воздух и горючие газы, в гриле, газовой плите, горелке Бунзена и аэрографах;

95

–в прямоточных скоростных абсорберах для санитарной очистки воз-

духа;

–в насадках (дефлекторах) систем канальной вентиляции зданий;

–в водяных аспираторах эжекторного типа, которые создают небольшие разрежения с использованием кинетической энергии водопроводной воды;

–в пульверизаторах (опрыскивателях) для распыления краски, воды или ароматизации воздуха.

–в карбюраторах, где эффект Вентури используется для всасывания бензина во входной воздушный поток двигателя внутреннего сгорания;

–в автоматизированных очистителях плавательных бассейнов, которые используют давление воды для собирания осадка и мусора;

–в кислородных масках для кислородной терапии и др.

Приведенный обзор известных решений позволяет сделать вывод, что труба (трубка) Вентури на практике широко применяется в качестве устройств и соответствующих вставок, в которых эффект Вентури используется для эжекции различных сред.

В настоящей работе на основе эффекта Вентури разработан ряд устройств длятепловлажностнойобработкивоздуха[15, 35, 39, 175, 189, 191, 198].

Анализ теоретических и экспериментальных исследований позволили разработать и запатентовать форсунку эжекционного типа (ФЭТ) для тепловлажностной обработки воздуха в контактных аппаратах [2, 5, 138, 171, 198, 201–205].

При работе данной форсунки воздушная среда наделяется активными функциями за счет передачи ей большей энергии от водяного потока, чем в традиционных механических устройствах, при этом также увеличивается продолжительность контакта между водой и воздухом, что способствует интенсификациитепломассопереносавконтактныхаппаратах[1, 85, 112, 119–121].

Схема форсунки ФЭТ приведена на рис. 3.5,а, общий вид – на рис. 3.5,б

Рис.3.5,а. Форсунка эжекционного типа:

1 – корпус; 2 – шайба – втулка с калиброванным отверстием; 3 – эжекторный элемент; 4 – гайка; 5 – горловина; 6 – цилиндрические каналы;

7 – конфузор; 8 – диффузор

96

промежутки времени будет неодинаковым. Переменный расход инжектируемого газа в каналах конфузора изменяет профиль (структуру) водной струи.

Приведенные в работе исследования позволили сделать вывод, что в формировании водяной струи участвуют как конструктивные элементы форсунки, так и газовая фаза.

Геометрия эжекторного элемента форсунки ФЭТ принималась в соответствии со стандартными соотношениями трубы Вентури [171]. Параметры основных размеров трубы Вентури и эжекторного элемента форсунки ФЭТ приведены в табл. 3.1.

Т а б л и ц а 3.1 Соотношения размеров эжекторных элементов

ра на выходе, мм.

Диаметр сопла dc принят в соответствии с эксплуатационными требованиями механических форсунок 2 dc dг (dc = 2…6 мм).

Применение разработанных и приведенных в диссертации форсунок данной конструкции в форсуночных камерах центральных кондиционеров позволяет интенсифицировать процессы тепловлажностной обработки воздуха. Эффективность их работы достигается за счет образования новых воздушных потоков (встречных течений: струя воды – струя воздуха) в газовой среде камеры, а это содействует турбулизации воздуха в камере в целом [1, 112].

Также увеличивается продолжительность контакта двух фаз: воздушной и водной, т.к. контакт воды с воздухом происходит перед форсункой, в форсунке и после истечения струи в поток газа. Этого нельзя было достигнуть в существующих конструкциях форсунок.

98

Таким образом, достоинствами данной форсунки являются:

–высокая эффективность образования межфазной поверхности, т.е. поверхности массообмена на границе вода – газ, за счет повышения степени диспергирования водной струи в газе;

–увеличение продолжительности контакта газовой и водяной фаз;

–создание большой турбулизации газовой фазы.

На основе проведенных исследований было установлено, что в форсуночных камерах, оборудованных форсунками эжекционного типа, общая продолжительность контакта жидкой и воздушной фазы равна сумме времени контакта в форсунке τф и времени контакта в камере τк:

где lг – длина горловины, м;

ωг – скорость водовоздушной смеси в горловине, м/с.

После определения скорости ωг и некоторых математических операций на основе уравнения (4.14) получим следующую зависимость [4]:

где ρр, ρн – плотность рабочего, инжектируемого потоков, соответственно, кг/м3 [66];

ωр – скорость рабочего потока (воды) в сопле, м/с;

φ1 – коэффициент расхода; Рр – расчетный перепад давлений, н/м2.

f3/f1 – геометрический параметр форсунки (отношение площади горловины к площади конфузора на входе).

uо – объемный коэффициент инжекции [166]. Объемный коэффициент инжекции определялся по уравнению

где Vг, Vв – объемный расход газа (воздуха) и воды, м3/с.

Из уравнения (3.15) следует, что продолжительность контакта между воздухом и водой в форсунке прямо пропорционально зависит от коэффициента инжекции.

99

Увеличение продолжительности контакта между водой и воздухом пропорционально влияет на количество диффундируемого вещества (водяных паров) из одной фазы в другую при конвективной диффузии [112, 120]:

где dM – приращение массы водяных паров, диффундируемых в воздушный поток, кг;

β – коэффициент массоотдачи, м/с; с1, с2 – концентрация водяного пара у границы раздела фаз и в ядре

потока, соответственно, кг/м3;

dF – площадь межфазной поверхности, м2;

dτ – изменение времени контакта между водой и воздухом (продолжительности массообмена), с.

Таким образом, с увеличением коэффициента инжекции возрастает время контакта взаимодействующих фаз, что способствует интенсификации процессов тепломассообмена в контактных аппаратах при обработке воздуха водой [44, 111].

На основе экспериментальных исследований [2, 5, 75, 132] для форсунок ФЭТ получено уравнение

На рис. 3.6 представлены графические зависимости Ea = f(μ) для форсунок различного типа [64, 132].

Рис. 3.6. Зависимость Ea = f(μ):

□ – для форсунки ФЭТ; ∆ – для форсунки ШФ 9/5 [102]; ● – для форсунки ЭШФ 7/10 [64]

100