Конденсационный осушитель воздуха в животноводческом помещении в зимнее время Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ИЗВЕСТИЯ ВЕЛИКОЛУКСКОЙ ГСХА 2015 №3

УДК 628.84:631.22

КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ОСУШИТЕЛЬ ВОЗДУХА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКОМ ПОМЕЩЕНИИ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ

Сергей Иванович Иванов, инженер, Юрий Иванович Волошин, инженер, Валерий Геннадьевич Игнатенков, к. техн. наук, доцент, Геннадий Николаевич Самарин, д-р техн. наук

ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА», Россия, г. Великие Луки

Исследовано охлаждение жестяной трубы из оцинкованного железа движущейся в ней холодной смеси наружного воздуха и воздуха из помещения. Определена массовая скорость конденсации влаги на поверхности трубы. Рассчитано время снижения влажности воздуха до нужного уровня при наличии испарения влаги в помещении. Намечены пути повышения эффективности работы осушителя.

Ключевые слова: смесь воздуха, температура, конденсация, испарения, время сушки.

Работа осушителя воздуха основана на явлении конденсации пара из воздуха помещения на поверхности трубы из тонкого оцинкованного железа при ее охлаждении движущейся внутри холодной смеси наружного воздуха и воздуха из помещения.

Температура внешней поверхности трубы должна быть ниже температуры насыщения воздуха помещения парами (точки росы), но выше нуля градусов.

Последнее необходимо для предотвращения образования льда на поверхности конденсора.

С этой целью морозный наружный воздух смешивают с теплым внутренним воздухом помещения и при необходимости подогревают смесь нагревателем.

Температура оцинкованной трубы практически равна темпера-

туре воздушной смеси у внутренней поверхности конденсора.

Температура воздушной смеси описывается дифференциальным уравнением в частных производных [1]

— — — + (-££_ —л пл

дх дг р-с-у(г) дг2 дх2

и граничными условиями £(г,0) =г0,

(^ ) г=я + а (1-10 = 0 (2)

где 1 - температура смеси, ° С; х -осевая координата, м; Я - коэффициент теплопроводимости воздушной смеси, Дж/м ■ с ■ К; р - плотность воздушной смеси, кг/м3; с - удельная теплоемкость смеси, Дж/кг К; -скорость движения смеси, м/с; -радиальная координата, м; - начальная температура воздушной смеси на входе в воздухопровод, ; Я - радиус внутренней поверхности

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

трубы, м; а - коэффициент теплопередачи воздушной смеси внутренней поверхности трубы, Дж/м2 сК; *1 = *1(Я,х) - температура внутренней поверхности конденсора.

Коэффициент теплопроводности

0« +

где и вв - массовые скорости поступления в воздухопровод наружного и внутреннего воздуха из помещения, кг/с; и Хв - коэффициенты теплопроводности внешнего и внутреннего воздуха, Дж/мск.

Плотность воздушной смеси

"Н в

Рн Рв

где рн и рв - плотности наружного и внутреннего воздуха, кг/м3.

Удельная теплоемкость смеси

_ £псп + Сиси

Си +

где с^ и св - удельные теплоемкости наружного и внутреннего воздуха, Дж/кгК.

Начальная температура воздушной смеси

В + вв

где гн и гв - температуры внешнего и внутреннего воздуха, °С.

Коэффициент теплопередачи

смеси

ан + ввав

а = —г-г-'

Сн + Св

где ан и ав - коэффициенты теплопередачи наружного и внутреннего воздуха, Дж/м-с-к.

Математический анализ решения уравнения (1) с граничными условиями (2) приводит к выводу, что температура смеси при ее движении повышается у внутренней поверхности конденсора по линейному закону

* = *о-$(*в-*о)х, (3)

где А имеет размерность температуропроводности м2/с и является температуропроводностью всей оболочки трубы конденсора; V - объемная скорость смеси, м/с.

Температуропроводность

А=—(Я-аЯ2/X),

ср к ' '

где к = 1/(1/а + 8/Хж + X/ав),

Я - внутренний диаметр трубы, м; а - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности трубы, Дж/м -с-К; X - коэффициент теплопроводности смеси воздуха, Дж/мсК; с - удельная теплоемкость смеси воздуха, Дж/кг-К; р - плотность смеси воздуха, кг/м3; 8 - толщина оцинкованной жести, м; Хж -теплопроводность жести, Дж/мсК; ав - коэффициент теплоотдачи воздуха из помещения к внешней поверхности трубы, покрытой конденсатом, Дж/м -с-К.

Вычислить А сложно и не имеет смысла, поскольку ее легко определить экспериментально по измерению длины конденсора Ь и температуры ^ на выходе из него.

Тогда из (3) следует:

А = (Ч- *0)У/(*в - *0)Ь, (4)

Изучим конденсацию пара из воздуха помещения.

йв н = {ав/гп){*вр - *)пО йх, (5)

ИЗВЕСТИЯ ВЕЛИКОЛУКСКОЙ ГСХА 2015 №3

где гп - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; р - температура максимального насыщения парами воздуха в помещении (точка росы), С; - внешний диаметр конденсора, м.

Подставим в (5) температуру (3) и проинтегрируем по длине трубы.

Для массовой скорости конденсации получим

= Ртг) (С** - ~ °'5 (£) ^ ~ 02. (6)

Подставим в (6) (4).

Тогда выражение (6) упростится и примет следующий вид:

Ск = (тг «вД /Гп ) ( ( £вР--2^) ■ (7)

Из (6) и (7) видно, что скорость конденсации возрастает при увеличении размеров конденсора, скорости движения воздушной смеси в нем и снижения температуры смеси.

Конденсация возможна только при условии >

Средний коэффициент теплопередачи от внешней влажной поверхности конденсора вычислим по формуле Нуссельта [2]:

«в = 0, 72 54 | , (8)

где - плотность водной

оболочки трубы; - уско-

рение свободного падения;

- коэффициент теплопроводности воды; - молекулярная вязкость воды при температуре трубы, кг/м с; - средняя температура трубы, 0С.

Средняя температура трубы

<г> (9)

Скрытую теплоту парообразования, соответствующую определенной температуре точки росы, находим по формуле [3]

гп = 4,19(595,3 - 0,54£вр) ■ 103,

Дж/кг. (10)

Теоретическое время осушения воздуха, равное времени снижения его влажности от более высокой к более низкой, находим по приближенной формуле

_ (Рнр - Ркр)П

т= <СК> , (11)

где - плотность насыщенного пара для начальной влажности, кг/ ; - плотность насыщенного пара для конечной влажности воздуха, кг/м 3; П - объем помещения, м 3;

- средняя арифметическая массовая скорость конденсации пара.

Средняя арифметическая массовая скорость конденсации пара

<СК> =5к21£КК (12)

где - начальная скорость конденсации, кг/с; - конечная скорость конденсации, кг/с.

При работе осушителя воздуха происходит испарение пара из воды, полученной конденсацией от влажного пола, стен потолка и внутренних ограждений.

За время работы осушителя поступит количество пара , где - общая массовая скорость всех испарений.

Для конденсации этого количества потребуется время

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Ьи-т

Ти = < Ск > (13)

Добавим время (13) в правую часть (11) и получим уравнение для определения времени работы осушителя

_ (рир - ркр)П ви-Т (14)

<вк> <вк>' ( )

Решим уравнение (14).

Получим

_ (Рнр - Ркр)П

Т= <вк>- Си (15)

Массовая скорость испарения воды, сливающейся с конденсора в помещение:

Ьа = 598 (16)

Скорость испарения с мокрого

поля

, г/час = = 1,176(Р-10-6, кг/с, (17)

где - разность температур

между сухим и мокрым термометрами; F - площадь пола, м .

В качестве примера рассмотрим снижение влажности осушителем в помещении объемом 72х21х3=4536 м3 и температурой воздуха 14 0С, размерами конденсора D=0,36 м, Е=4 м.

Начальная температура воздушной смеси в конденсоре

, а на выходе из него .

Молекулярная вязкость воды при средней температуре 20С 0,16788 кг/м - с.

Начальная относительная влажность воздуха равна 100%, а конечная - 70%. Используем таблицы давления и плотности насыщенного водяного пара при различной температуре и психометрическую таблицу. Проведем вычисления по формулам (10) - (7).

Получим ;

вкк = 2 0,945 - 10"3 ,кг/с.

По (12) <Ск> = 20,9451 0 " 3 , к г / с.

Подстановкой <вк> в (16) находим .

Из (17) следует ва = 7,87451 0 ~ 3 , к г / с.

Подстановкой в (15), где

рНр = 12,1 - 10 -3 кг/м3; рНр = 0,7 - 12,1 -1 0 - Зкг/м3, находим время осушения воздуха .

Без учета испарения время равно 13,1 мин.

Таким образом, испарения значительно увеличивают время осушения воздуха, но оно сравнительно невелико.

Поэтому затраты электроэнергии на работу вентилятора и подогревателя небольшие и такой осушитель экономически выгоден.

E-mail: nauka@vgsa.ru

182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина, д. 2, Великолукская ГСХА Тел.: (81153) 7-16-22