Файл: Тарабанов, М. Г. Тепло- и массоперенос в камерах орошения кондиционеров с форсунками распыления учебное пособие.pdf

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