CC BY
31ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ТЕПЛОМАССООБМЕНА В СОТОВОМ УВЛАЖНИТЕЛЕ
1 2 Уляшева В.М. , Крышкин Н.М.
1Уляшева Вера Михайловна - доктор технических наук, доцент;
2Крышкин Никита Михайлович - студент магистратуры, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Санкт-Петербург
Аннотация: представлены результаты численного моделирования процесса тепломассообмена в орошаемой насадке сотового увлажнителя; предложена зависимость критерия Нуссельта от критериев Рейнольдса и Гухмана для исследуемого увлажнителя; получена зависимость интенсивности испарения от площади поверхности тепломассообмена.
Ключевые слова: увлажнение воздуха, орошаемая насадка, тепломассообмен, интенсивность испарения, критериальная зависимость.
Исследованиям процессов тепломассообмена в контактных аппаратах систем кондиционирования воздуха (СКВ), в частности для обеспечения адиабатного процесса обработки воздуха, посвящен ряд работ, среди которых можно отметить работы Е.В. Стефанова, А.Г. Сотникова, О.Я. Кокорина, С.М. Анисимова и других [1-8]. Подобные процессы используются и в холодный, и в теплый период, что определяет их энергоэффективность [9]. Результаты исследований в контактных аппаратах, в основном, получены эмпирическим путем [8, 10]. В настоящее время в связи с интенсивным внедрением прикладных гидродинамических комплексов в практику проектирования [11, 12] появляются работы, посвященные численному моделированию процессов тепломассообмена в различных элементах СКВ, в том числе и в контактных аппаратах, например, работа [13].
Особенности процессов тепломассообмена в насадочных аппаратах связаны как с геометрической структурой, так и теплотехническими характеристиками пористых заполнителей.
На кафедре теплогазоснабжения и вентиляции создана установка [14], которая при участии авторов претерпела некоторые изменения (рис.1), заключающиеся в установке конфузора 9 на выходе из тепломассообменной насадки (кассеты) и воздуховода 10. В качестве тепломассообменной насадки используется гигроскопичная кассета глубиной 100 мм фирмы МиШеге, для которой были выполнены экспериментальные и численные эксперименты с использованием прикладной программы 81агССМ+ [13]. Однако, в связи с тем, что подобный численный эксперимент выполнялся впервые и был ограничен в объеме вычислительных процедур, то было выполнено численное моделирование процесса испарения только для одной пластины кассеты. Кассета состоит из 60 волнистых листов (длина волны порядка 17 мм), закрепленных для обеспечения равномерности смачивания предотвращения отрыва капель поочередно под углами к горизонту: 45° вверх и 15° вниз.
Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 - рама; 2 - вентилятор; 3 - воздушный клапан;
4 - гибкая вставка; 5, 7, 9 - переход; 6 - направляющие лопатки; 8 - камера; 10 - прямой участок воздуховода; 11 - поддон; 12, 19 - трубопровод; 13 - мерный бак; 14 - сливной кран;
15 - фильтр; 16 - циркуляционный насос; 17, 20 - кран; 18, 21 - балансировочный клапан;
22 - шланг; 23 - соединительный патрубок; 24 -коллектор; 25 - крышка;
26 - орошаемая кассета
Для исследования процесса увлажнения воздуха в аппарате с тепломассообменной насадкой построена его математическая модель. Этапы построения модели:
1) В программе SolidWorks создана геометрическая 3Б модель 3 участков установки (рис.2):
- перехода с прямоугольного сечения 250х250 мм на прямоугольное сечение 510х510 мм длиной 500 мм;
- прямого участка воздуховода 510х510 мм длиной 550 мм;
- перехода с прямоугольного сечения 510х510 мм на круглое сечение диаметром 250 мм длиной 300 мм.
Рис. 2. модель 3 участков установки
Орошаемая насадка создана отдельной деталью (рис. 3). Она состоит из набора гофрированных листов. Наклон ребер листов чередуется через 1: по направлению
движения воздуха 15о к горизонту и 45о соответственно против направления движения воздуха. Разрез листов задан функций соб(х). Всего насадка состоит из 59 гофрированных листов высотой 8 мм, толщина материала пластин - 2 мм. Для удобства дальнейшего построения расчетной сетки между соседними листами оставлены зазоры по 0,1 мм. Суммарные габариты насадки - 510x510x100 мм. Площадь живого сечения насадки составляет 0,18 м2.
Рис. 3. Модель тепломассобменной насадки
2) При создании расчетной сетки за базовый принят размер 2 см. На входе и выходе воздушного потока во фрагмент установки и около стенок воздуховодов размер сетки задан в 2 раза меньше (1 см). Вблизи пластин орошаемой насадки шаг сетки в 8 раз меньше базового размера (2,5 мм). Итоговое количество ячеек расчетной сетки - 2 200 094 (рис. 4).
Рис. 4. Фрагменты расчетной сетки
3) При настройке физической модели для расчета исследуемого процесса приняты следующие характеристики:
- Стационарный режим протекания процесса;
- Сила тяжести;
- Излучение поверхность-поверхность;
- Тепловое излучение серого тела;
- Уравнение энергии среды для температуры;
- Идеальный газ;
- Многокомпонентный газ;
- K-Epsilon модель турбулентности
- Осредненное по Рейнольдсу уравнение Навье-Стокса.
4) Граничные условия:
- Скорость воздуха на входе - 6 м/c;
- Температура воздуха на входе 20°С;
- Относительная влажность воздуха на входе - 60%;
- Температура стенок установки - по расчету в соответствие с адиабатическим протеканием процесса;
- Температура на поверхности насадки принята 15,142°С, что соответствует температуре по мокрому термометру для параметров воздуха на входе в насадку;
- Относительная влажность воздуха на поверхности насадки - 100%.
При дискретизации расчетной области применена прямоугольная неравномерная сетка, которая сгущается вблизи твердых границ с использованием закона гиперболического тангенса (Алгоритм Винокура). Для задания особенностей процесса увлажнения (испарения) применена Эйлерова многофазность. В качестве допущения принято, что смесь сухого воздуха и водяных паров - идеальный несжимаемый газ. Для расчета давления насыщения водяных паров использовано уравнение Антуана.
Известно, что на поверхности гигроскопичной насадки при влажностной обработке воздуха образуется стекающая под действием силы тяжести водяная (жидкая) пленка. В связи с большим объемом расчетной сетки и ограничением по производительности и объемам оперативной памяти используемой вычислительной техники, процесс стекания влаги по пластинам насадки не рассчитывается, предполагается, что насадка увлажнена полностью и отрыв капель с ее поверхности за счет подвижности воздуха не происходит. Для обеспечения сходимости результата выполнено 350 итераций. Время, необходимое для выполнения 1 итерации, составило 90 сек. Переход от дифференциальных уравнений в частных производных к дискретным осуществлен методом конечных объемов.
Результаты численного эксперимента представлены на рис 5, 6 и 7 в виде полей скоростей, температур и влагосодержания воздуха на характерных секущих плоскостях.
Рис. 5. Распределение скорости движения воздуха (м/с) в элементах установки
Рис. 6. Распределение температуры воздуха (оС) в элементах установки
мл! ргасиоп 01Н20
0.0087 0 0033_0 0091_0 0091_0 №>5_О ООО7_О 0090_00101
Рис. 7. Распределение влагосодержания воздуха (кг/кг) в элементах установки
При проведении численного эксперимента выполнена оценка сходимости, означающая уменьшение до нуля ошибки численного решения при условии, что размеры контрольных объемов расчетной области стремятся к нулю. Расчет считается законченным, если поведение исследуемых параметров становится стационарным. Для оценки сходимости численного эксперимента использовано осреднение влагосодержания и температуры по поверхности выходного сечения установки. Результаты мониторинга данных параметров воздуха в зависимости от числа итераций приведены на рисунках 8 и 9.
Итерации (шт.)
Рис. 8. Сходимость температуры воздуха после обработки
Среднее влагосодержание на выходе
200 250 300
Итерации (шт.)
Рис. 9. Сходимость влагосодержания воздуха после обработки Анализ результатов:
1) Определяется коэффициента адиабатической эффективности процесса (при скорости воздуха в живом сечении насадки 2,1 м/с)
t„ -tK 20 - 17,9
Ea = —-- =-= 43%
tH -tw 20 - 15,142
2) Предложение по оптимизации конструкции аппарата. Как видно на полях
распределения скоростей, поток воздуха не равномерный по орошаемой насадке,
существует значительная площадь (не менее 50 % от всей площади насадки), на
которой скорость воздуха менее 1,0 м/c. Такое распределение скоростей приводит к
неэффективному использованию площади орошаемой насадки. Таким образом, путем
установки спрямляющих лопаток в переходе или удлинения центральной секции на
размер диагонали орошаемой насадки (рекомендация для установки прямоугольного
канального теплообменного оборудования) - 0,7 м возможно увеличить
эффективность работы данной насадки.
Для анализа результатов численного эксперимента выполнен лабораторный
эксперимент с использованием кассеты типа Munters.
Выводы:
На основании разработанной численной модели на базе к-е модели турбулентности получены подробные характеристики тепломассообменных процессов при испарения жидкой пленки в сотовом увлажнителе. Доказана возможность использования критериальной зависимости для расчета числа Нуссельта, определяющего тепломассообменные процессы в исследуемом аппарате.
Список литературы
1. Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха. СПб.: АВОК Северо-Запад, 2005. 402 с.
2. Сотников А.Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции в двух томах. Том II. Ч. 2. СПб.: Скив СПб, 2007. 512 с.
3. Кокорин О.Я. Системы и оборудование для создания микроклимата помещений. М.: ИНФРА-М, 2013. 273 с.
4. Кокорин О.Я. Сравнение систем кондиционирования воздуха по показателям энергетической эффективности // АВОК, 2011. № 2. С. 46-48.
5. Тарабанов М.Г. Увлажнение воздуха в системах вентиляции и кондиционирования // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад, 2009. № 3 (41). С. 41.
6. Майсоценко В.С. Тепломассообмен в косвенно-испарительных воздухоохладителях регенеративного типа // Пром. Теплотехника, 1987. Т. 9. № 2. С. 84-87.
7. Анисимов С.М.Тепломассообмен в аппаратах с пористой насадкой систем кондиционирования воздуха: Дис. д-ра техн. наук. СПб, 1998. 385 с.
8. Королева Н.А. Разработка энергоэффективных систем кондиционирования воздуха с испарительным охлаждением и адиабатным увлажнением: Дис. канд. техн. наук. Волгоград, 2015. 173 с.
9. Р 017 НОСТРОЙ 2.15.6-2014 Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Рекомендации по устройству энергоэффективных схем систем вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: БСТ, 2014. 114 с.
10.Аверкин А.Г. Научные основы совершенствования устройств тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования: Дис. д-ра техн.наук. Пенза, 2013. 332 с.
11. Гримитлин А.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования. СПб.: АВОК Северо-Запад, 2013. 192 с.
12.Денисихина Д.М. Использование программы STAR-CCM+ при проектировании систем вентиляции: учеб. пособие. СПб.: СПбГАСУ, 2013. 68 с.
13. Аверьянов В.К. Исследование процесса тепломассообмена в сотовом увлажнителе экспериментальными и численными методами // Вестник гражданских инженеров, 2016. № 5. С. 105-109.
14. Аверьянов В.К. Экспериментальное исследование процесса увлажнения воздуха в сотовом увлажнителе // Вестник гражданских инженеров, 2016. № 4. С. 122-127.
15. Канев М.А. Создание влажностного режима в административных помещениях для северной климатической зоны: Дисс. канд. техн. наук. СПб, 2016. 169 с.
МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ БЕСКАНАЛЬНОЙ
ПРОКЛАДКИ ПОДЗЕМНОЙ ТЕПЛОСЕТИ
1 2 Карпов В.И. , Стребков Е.А.
1Карпов Владимир Иванович - кандидат технических наук, доцент;
2Стребков Егор Александрович - магистрант, кафедра инженерных систем зданий и сооружений,
Инженерно-строительный институт Сибирский федеральный университет, г. Красноярск
Аннотация: разработка методики многопараметрической оптимизации конструкций бесканальных прокладок тепловых сетей в общей изоляции. В результате данной оптимизации получаются конструкции тепловой сети с минимальной стоимостью и минимальными энергетическими затратами на тепловые и гидравлические потери.
Ключевые слова: тепловая сеть, трубопровод, теплоизоляция, многопараметрическая оптимизация.
При строительстве наружных тепловых сетей зачастую целесообразна бесканальная прокладка трубопроводов в общей теплоизоляции. Такое решение позволяет свести к минимуму тепловые потери, а также производить теплоизоляцию непосредственно на месте монтажа.
В настоящее время имеется достаточно широкий выбор теплоизоляционных материалов и технологий их изготовления, что в конечном итоге открывает широкие перспективы для внедрения этого метода строительства[1]. При проектировании бесканальных прокладок встает проблема выбора рациональных геометрических размеров тепловой изоляции и собственно самих диаметров труб. Целью данной работы является разработка методики многопараметрической оптимизации конструкций бесканальных прокладок тепловых сетей в общей изоляции. Упрощенная постановка подобной задачи без учета затрат на сами теплопроводы и перекачку теплоносителя рассмотрена в [2]. На рисунке приведена расчетная схема более общей решаемой задачи с оптимизацией диаметров труб.
