2150

узлов центральных кондиционеров Украины. Она основана на применении экспериментальных зависимостей:

где Еа, Еп – коэффициенты эффективности для адиабатических и политропических условий;

μ – коэффициент орошения, кг/кг.

Расчетные уравнения для определения коэффициентов эффективности для различных режимов тепловлажностной обработки воздуха в контактных аппаратах приведены в разд. 1.4.

В зависимости от режимных параметров ОКФ (объемной или массовой производительности, коэффициента орошения) и диаметра капель воды, образующихся при форсуночном распылении, можно получить различные значения площади тепломассопереноса в контактном узле. Об этом свидетельствует графическая зависимость, представленная на рис. 1.9. Она получена на основе данных табл. 1.1.

Рис. 1.9. Зависимость площади тепломассопереноса F

от коэффициента орошения μ и диаметра капель распыляемой воды d при обработке 10000 кг/ч воздуха в ОКФ

21

Анализ графических зависимостей (рис. 1.9) показывает, что в ОКФ при обработке 10000 кг/ч (2,78 кг/с) воздуха общая суммарная поверхность капель воды, образующихся при распылении воды с помощью механических широкофакельных центробежных форсунок, изменяется в широких интервалах.

Для определения среднего диаметра капель разбрызгиваемой воды предложены следующие формулы [173]:

– среднеарифметический диаметр

i 1

где ni – число капель, имеющих диаметр di; N – общее количество всех капель;

gi – масса капли, кг;

Gw – масса всех капель, кг.

Используют также медианный диаметр капли [174], т.е. диаметр, который делит весь объем (или массу) воды на две равные части. В одну часть входят капли, диаметр которых меньше медианного, а во вторую – капли с диаметром больше медианного.

Для полной оценки дисперсности факела распыла воды форсунками недостаточно знать только средний диаметр капли, т.к. при одном и том же среднем диаметре возможно различное распределение капель по размерам.

Наиболее точно распределение капель по размерам можно определить, если исходить из логарифмически нормального закона распределения, широко применяемого в теории вероятностей и математической статистике [46, 141]. При этом в качестве среднего значения принимается медианный диаметр капель.

Характер (общий вид) движения капель разного диаметра в пределах ОКФ весьма сложный, т.к. капли движутся по самым различным траекто-

22

риям и с разными скоростями. На движение крупных капель воды скорость воздушного потока влияет в меньшей степени, т.к. их кинетическая энергия достаточно велика. Чем мельче капли, тем в большей степени их движение зависит от скорости воздуха. Капли воды уносятся воздухом из камеры, если их скорость витания меньше скорости воздушного потока.

Установлено [173, 174], что меньшую долю, примерно 20 %, составляют мелкие капли диаметром менее 0,3 мм, которые полностью уносятся потоком воздуха. Мелкие капли интенсивно испаряются из-за их быстрого нагрева, повышенного давления над выпуклой поверхностью и снижения парциального давления паров воды в обрабатываемом воздухе за счет его осушки на основной массе крупных капель. Крупные капли диаметром до 2–3 мм недогреваются, что ведет к недоиспользованию температурного потенциала воды.

В объеме камеры имеют место разнонаправленные процессы: увлажнение воздуха на мелких каплях и осушка – на крупных [85].

Вследствие полидисперсности форсуночного факела процесс тепломассообмена представляет собой целый спектр процессов, характерных для капель разного диаметра [199, 200].

Для снижения энергозатрат при создании развитой поверхности тепломассопереноса в воздушной камере при обработке воздуха водой разработаны пленочные контактные аппараты, в частности, московская фирма «ВЕЗА» выпускает блок-камеры сотового увлажнения (рис. 1.10) [105].

Рис. 1.10. Схема блок-камеры сотового увлажнения:

1 – сотовые насадки из гофрированных гигроскопичных листов; 2 – оросительный водораспределитель; 3 – гибкий шланг; 4 – насос; 5 – поддон;

6 – воронка для перелива; 7 – водоопровод; 8 – сепаратор; L – длина (1060 … 1340 мм); B – ширина (700 … 3800 мм); H – высота (800 … 2600 мм);

δ – толщина (0,25 .. 50 мм); H1 – высота рамы (80 …200 мм)

23

По высоте блок-камеры установлены сотовые насадки 1, собираемые из гофрированных гигроскопичных листов. Над ними расположен оросительный водораспределитель 2, который при помощи шланга 3 соединен с насосом 4. Нижняя часть сотовой насадки 1 располагается над поддоном 5, куда стекает орошающая вода после прохождения по поверхности насадки.

К поддону 5 присоединен трубопровод для воды 7. В поддоне поддерживается постоянный уровень воды при помощи шарового клапана на подающей трубе и воронки для перелива 6. На выходе установлен сепаратор 8, предотвращающий вынос капель воды потоком воздуха из блок-камеры.

Требуемый напор насоса зависит от высоты расположения оросительного водораспределителя над блоком орошаемой насадки. Потребляемая мощность насоса затрачивается на подъем воды из поддона в воздухораспределитель и на преодоление сил гидравлического сопротивления в контуре циркуляции. Ее численное значение намного меньше, чем при распылении воды через механические форсунки в оросительной камере.

В литературе [105] приведен сравнительный анализ расхода электрической энергии в камере форсуночного орошения и в блок-камере сотового увлажнения в адиабатическом режиме при одинаковом расходе обрабатываемого воздуха. Установлено, что в 25 раз может быть снижен расход электрической энергии при применении сотового увлажнения, а коэффициент орошения может быть уменьшен в 24 раза.

По данным [103] эффективность адиабатного увлажнения зависит от глубины насадки по ходу движения воздуха и скорости приточного воздуха в фасадном сечении. Глубина сотовых насадок может составлять δн = 100, 200, 300 мм. Рекомендуемая скорость приточного воздуха в фасадном сечении v 2,3 м/с. При соблюдении данных рекомендаций эффек-

тивность режима адиабатического увлажнения воздуха составляет: Еа = 0,65

при δн = 100 мм; Еа = 0,85 при δн = 200 мм; Еа = 0,95 при δн = 300 мм.

Также установлено [105], что эффективность адиабатического увлажнения воздуха Еа не зависит от коэффициента орошения μ. Расход охлаждающей воды определяется необходимостью поддержания насадки орошаемого слоя в состоянии гигроскопического насыщения.

Поверхность контакта между воздухом и водой определяется размерами увлажненного материала в слое.

Для предотвращения повышения степени минерализации рециркуляционной воды рекомендуется периодически (например, один раз в сутки) заменять воду в поддоне, применяя соответствующую систему автоматики.

Другим достаточно эффективным увлажнителем воздушного потока является паровой увлажнитель [105, 107, 163]. Водяной пар обычно имеет температуру более 100 С (она зависит от давления пара), т.е. значительно отличающуюся от температуры воздуха. Однако в связи с тем, что содержание явного тепла в паре, ассимилируемого воздухом, незначительно, луч

24

процесса идет с небольшим отклонением вверх от изотермы на I-d-диа- грамме влажного воздуха. Изменение энтальпии воздуха в основном определяется теплотой парообразования водяного пара, температура воздуха при этом повышается незначительно. Практически процесс увлажнения воздуха водяным паром считают изотермическим.

По сведениям [107] процесс увлажнения воздуха водяным паром характеризуется повышенным расходом электрической энергии, связанной с получением самого пара. Предпочтение паровым увлажнителям отдают в тех случаях, когда при увлажнении воздуха необходимо создание бактерицидной воздушной среды (больничные комплексы, фармацевтические предприятия и т.п.).

1.3.Физико-математические модели тепломассопереноса

ваппаратах контактного типа

При изучении совместно протекающих процессов тепло- и массопереноса необходимо учитывать их взаимное воздействие друг на друга, которое обусловлено возникновением стефанового потока, термодиффузии и диффузионной теплопроводности [93, 102, 151, 173, 174, 224, 225].

Оценка процессов тепловлажностной обработки воздуха в контактных (трехмерных) пространствах осуществляется на основе уравнений сохранения количества движения (при ламинарном режиме течения – это уравнение Навье – Стокса (1.23), уравнения неразрывности (1.24), уравнений сохранения тепловой энергии и массы водяного пара (1.25–1.29). При ламинарном режиме движения воздушного потока данная система уравнений имеет вид [61]:

25

t – температура, С;

ζ– коэффициент влаговыпадения;

η– к.п.д.;

δ– диаметр водяной капли, м;

– оператор Лапласа;

υ – скорость, м/с;

F1(ζ, η, δ) – комплекс, учитывающий распределение в контактном пространстве полидисперсной жидкой фазы, кинематические характеристики движущихся капель и интенсивность процесса переноса;

F2(ζ, η, δ) – комплекс, характеризующий интенсивность тепломассообменных процессов в «δ-газе» – фиктивной среде, которая по теплообменным характеристикам эквивалентна полидисперсной системе капель в движущемся газожидкостном потоке, но отличается отсутствием обмена количеством движения, теплотой и массой между соответствующими компонентами этого газа. Такой обмен осуществляется лишь косвенно, через взаимодействие каждой из компонент с воздушным потоком. Область, занимаемая каждой компонентой, определяется гидродинамическими и кинематическими характеристиками воздушного потока и жидкости [61];

F3 – площадь пограничного слоя над контактной поверхностью капель воды, м2.

Уравнения теплового баланса воздуха по явной теплоте (1.25), полной теплоте (1.27) и уравнение баланса массы водяного пара (1.26) получены

26

на основе допущений, что в режимах кондиционирования воздуха в элементарном объеме контактного пространства эффектами термо- и бародиффузии, стефанова течения, диффузионной теплопроводности можно пренебречь, а величины тепловых и массовых потоков определяются законами Фурье и Фика [75, 118]. Поэтому в уравнении (1.25) отсутствуют диссипативные члены.

Уравнение (1.27) сохранения энтальпии потока влажного воздуха получено с учетом выполнения соотношения Льюиса [117, 173].

Уравнение (1.29) выражает зависимость температуры воды от энтальпии влажного воздуха в пограничном слое над контактной поверхностью капель с диаметром δ .

Для определенности система уравнений (1.23) – (1.29) должна быть дополнена краевыми условиями, состоящими из начальных (временных) и граничных (пространственных) условий. Граничные условия для уравнения (1.23) предполагает принятие скоростей потока на ограничивающих его поверхностях, температуры потока равны температурам контактной поверхности в сходных точках, а концентрации водяных паров во влажном воздухе соответствуют концентрациям на кривой насыщения при соответствующих температурах поверхности.

Однако решение приведенной системы уравнений вызывает большие затруднения из-за их нелинейности.

Винженерной практике наибольший интерес представляет не распределение термодинамических параметров в пространстве, занимаемом потоком, например, распределение температур и концентраций, а лишь средние значения указанных величин и температур поверхности.

Внастоящее время получил широкое распространение одномерный метод описания процессов тепломассообмена (α-модель) [55, 56]. При этом параметры паровоздушной смеси поперек потока принимаются постоянными и изменяющимися лишь вдоль потока.

Встационарном режиме работы контактного аппарата количество яв-

ной теплоты dQя, переданной в единицу времени от потока воздуха с температурой t к воде с температурой tw на элемент поверхности dF, может быть определено по формуле Ньютона [126]:

27

где βp – коэффициент массоотдачи, с/м;

Pп, Pw – парциальное давление воздуха и водяных паров, соответственно, Па

Наличие массообмена вызывает перенос теплоты, обусловленный фазовыми превращениями (конденсация, испарение), который принято называть потоком скрытой теплоты dQm. Результирующий поток от явной dQя и скрытой dQm теплоты называют потоком полной теплоты dQп [102, 173].

Полный теплообмен при контакте воздуха и воды на бесконечно малом

где r – скрытая теплота водяного пара, Дж/кг.

По предложению Меркеля [222] разность парциальных давлений на сравнительно узком интервале температур заменяют перепадом влагосодержания сухого воздуха с соответствующим вводом коэффициента пропорциональности σ:

Величины коэффициентов α, βр, σ при известной поверхности контакта F можно определить из уравнений:

Ip – расчетная среднелогарифмическая разность энтальпий, кДж/кг. Рассматривая процессы изоэнтальпийного увлажнения воздуха при установившемся состоянии, Льюис [220, 221] сделал вывод о постоянстве со-

отношений коэффициентов тепло- и массоотдачи.

28

При изоэнтальпийном процессе для поверхности контакта dF справедливо равенство потоков явной и скрытой теплоты:

С другой стороны, явная теплота, отданная воздухом воде, равна теплоте, поступившей в воздух вместе с водяным паром:

носа, С.

В результате длительного контакта с рециркуляционной водой воздух становится насыщенным, его конечная температура t2 сравнивается с температурой воды tw и, соответственно, влагосодержание воздуха d2 = dw .

Тогда зависимости (1.38) и (1.39) можно представить в виде

Этот вывод В. Льюиса был впоследствии распространен и на другие режимы обработки воздуха при его непосредственном контакте с поверхностью воды [220]. Выполнение условия (1.41) предполагает наличие подобия процессов тепло- и массообмена. Однако вопрос о подобии процессов переноса теплоты и массы и о влиянии массообмена на интенсивность теплообмена, несмотря на широкую освещенность в литературе, остается до сих пор недостаточно изученным.

1.4. Оценка эффективности работы контактных устройств для тепловлажностной обработки воздуха

В настоящее время методика оценки эффективности работы и теплотехнический расчет камер орошения и других контактных аппаратов осуществляется с применением коэффициентов эффективности, а также при помощи чисел единиц переноса явной и полной теплоты [25, 56, 64, 103, 173].

29

Коэффициенты эффективности характеризуют отношение теплообмена в реальном процессе к максимально возможному теплообмену при различной направленности идеальных процессов. Они не были получены в результате какого-либо математического вывода или анализа [56].

Данная методика основана на графических построениях процесса тепловлажностной обработки воздушного потока на I-d-диаграмме влажного воздуха [7, 48, 55]. Производится сравнение реального процесса, протекающего в аппарате, с идеальным процессом, происходящим при условиях, когда состояние воздуха, выходящего из аппарата, характеризуется полным насыщением, а температура принимается равной расчетной температуре воды. Условно идеальный процесс изображается на I-d-диаграмме прямой линией, соединяющей точку начального состояния воздуха с точкой на кривой φ = 100 %, имеющей расчетную температуру 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.

Взависимости от выбора расчетной температуры воды возможны различные уравнения для определения коэффициентов эффективности [48, 181].

Вслучае ориентирования идеального процесса на температуру воды

tид = tWК и при отклонении реального процесса вправо от идеального

[55, 69]:

на входе, выходе из контактного аппарата, С;

tWH, tWК – соответственно, температура воды на входе, выходе, С. Выражение (1.32) предложено А.А. Гоголиным в 1940 году и использу-

ется в отечественной и американской практике [181].

По мнению Б.Б. Баркалова [48], идеальный и реальный процессы обработки воздуха могут быть представлены на I-d-диаграмме одной прямой, причем, реальный процесс заканчивается при более высокой температуре воздуха, а параметры насыщенного воздуха определяются по конечной температуре воды, т.е.

tWK – конечная температура воды, С;

IWK – энтальпия воздуха при конечной температуре воды, С.

30