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

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