Моделирование тепломассообмена в воздухоохладителе косвенно-испарительного типа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.565

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЕ КОСВЕННОИСПАРИТЕЛЬНОГО ТИПА

А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, Д.А. Прутских, А.М. Наумов

Получены аналитические соотношения для расчёта тепломассообмена в сухой и влажной камерах воздухоохладителя

Ключевые слова: воздухоохладитель, испарение, тепломассообмен, насадка, псевдоожиженный слой

Снижение энергоемкости экономики рассматривается в Федеральной целевой программе «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» как основной фактор повышения конкурентоспособности отечественной продукции и уменьшения экологической нагрузки на окружающую среду. Одним из резервов энергосбережения является использование нетрадиционных источников энергии, в том числе существующих в природе градиентов температуры. Способ водоиспарительного охлаждения основан на темодинамической неравномерности атмосферного воздуха, которую следует считать возобновляемым источников энергии для получения холода в системах кондиционирования производственных и жилых помещений [1].

Эффективность работы воздухоохладителя во многом определяется такими параметрами его насадки, как удельная поверхность контакта фаз, интенсивность тепломассообмена, смачиваемость, стойкость к коррозии и стоимость. Насадка в виде циркулирующего псевдоожи-женного слоя дисперсного материала не только наиболее полно отвечает указанным требованиям, но и позволяет осуществить регенеративную передачу теплоты от вспомогательного потока воздуха к основному [2].

Принципиальная схема аппарата с такой насадкой приведена на рисунке [3]. Воздухоохладитель содержит корпус 1, беспровальную кольцевую газораспределительную решетку 2 с наклонными лопатками 3, сухую 4 и влажную 5 камеры, центральный усеченный конус 6, перегородки 7 с переточными окнами 8 и форсунку 9.

Бараков Александр Валентинович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 43-76-62

Дубанин Владимир Юрьевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 43-76-62

Прутских Дмитрий Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, тел. (4732) 43-76-62

Наумов Александр Михайлович - ВГТУ, ст. преподаватель, тел. (4732) 43-76-62 174

Воздухоохладитель работает следующим образом. Вспомогательный поток атмосферного воздуха подаётся через газораспределительную решетку 2, на которой находится дисперсный материал 10. Под действием наклонных струй воздуха, ориентированных наклонными лопатками 3, дисперсный материал псев-доожижается и перемещается вдоль решетки. С помощью форсунки 9 происходит увлажнение частиц насадки на входе во влажную камеру 5. При контакте со вспомогательным потоком атмосферного воздуха происходит испарение влаги с поверхности частиц, что приводит к их охлаждению. Охлажденные частицы насадки поступают в сухую камеру и охлаждают в свою очередь основной поток воздуха.

5

Для расчёта температурных полей в сухой камере аппарата в качестве исходной системы дифференциальных уравнений запишем уравнения теплового баланса и Ньютона-Рихмана для элементарного объема слоя насадки dxdy

(толщину слоя принимаем равной 1) [4]:

дг

^ = Сн ™ н (1 -є)рн —^ dxdy; (1)

—с w р

в вуг в

дх

dQ = -Св w вУ р^ dxdy;

д-в ду

(2)

= ао^у (гв -н)йхау; (3)

где 0 - тепловой поток; ас - межфазный коэффициент теплоотдачи в сухой камере; г - температура; с - теплоемкость; р - плотность; w -скорость; в - порозность; ^- удельная поверхность слоя частиц; индексы: н - насадка; в -воздух; х, у - проекции на оси координат.

Из (2)-(3) получаем

Ту = --^(в -н); (4)

ду св^урв

Граничные условия для воздуха при у = 0 имеет вид

г в = гв (5)

где гв - температура атмосферного воздуха по сухому термометру

Интегрируя (4) с учетом (5) получаем распределение температуры воздуха по высоте насадки

( г-

-----------у

V Свw вурв у

(6)

Полагаем, что вследствие интенсивного перемешивания частиц в псевдоожиженном слое, их температура зависти только от координаты х . Для определения этой зависимости запишем (1)-(3) для элемента слоя насадки высотой Ь

снwн ( - в)рн ¿х = --вwвурв ( - гв )dx, (7)

где гв - температура основного потока воздуха на выходе из сухой камеры; Ь - высота слоя насадки.

Из (7) следует, что

дн _ Св W вуРв

5х

-(-в —-в). (8)

снwн I1 -в)рнЬ Значение температуры воздуха на выходе из сухой камеры определяем из (6), полагая, что у = Ь . С учетом этого (8) преобразуется к следующему виду

дх снw н ( — фн Ь

хЛ — ехр

аХЬ

Рв W вурв

Граничные условия для (9) при х = 0

(10)

где -н - температура насадки на входе в сухую камеру аппарата.

Из (9) с учётом (10) получаем

г = г

н в

— гн )ехР<

Св W ву Рв Х .

снWн ( — 8)РнЬ

1 — ехр

( Ґ и ^ а„ т п

с w р

г в^Г

в^г у

(11)

Равномерная скорость движения частиц может быть определена по формуле [5]

wн = вх - 0,71 (в2у +(w4у +

\0,5 V '

V

''И&^тр

+7,11

саРв

(12)

где d - диаметр частицы; g- ускорение свободного падения; с^ коэффициент лобового сопротивления частицы; к тр - коэффициент

трения частиц о поверхность решетки.

Межфазный коэффициент теплоотдачи в сухой камере аппарата определяем из критериального уравнения [6]

где № = —1— - критерий Нуссельта; Яе =

(13)

w ^

X V

в в

- критерий Рейнольдса; X - коэффициент теплопроводности; V - кинематический коэффициент вязкости

В размерных параметрах (13) запишется в следующем виде

а = 0,5^ °°,65Хв v-0,65d-035. (14)

Тепломассообмен смоченной частицы со вспомогательным потоком атмосферного воздуха определяется следующими процессами

- подводом теплоты к поверхности частицы;

- испарением воды;

- диффузией насыщенных паров в окружающую среду;

- распространением теплоты внутри частицы.

х

На основании предварительных оценок установлено, что время «высыхания» частицы определяется, в основном, временем испарения воды. Для его определения запишем уравнение теплового баланса, полагая, что за время ¿т объём воды на поверхности частицы уменьшится на величину ¿V

Ф^ч¿т = -Рж [сж нас - гв ) + Г, (15)

где ф - плотность теплового потока; ^ - площадь поверхности смоченной частицы; гнас -температура насыщения; гп - скрытая теплота парообразования; индекс: ж - вода.

Значения 1;нас и гп соответствуют парциальному давлению водяного пара в атмосферном воздухе. С учётом того, что ¿V = ^¿г , из (15) получаем

т = -

Г Рж [сж (tnao - tB ) + Г. ], jr+S------------------------------------dr’

q

(16)

где г - диаметр частицы; 5 - толщина плёнки воды на поверхности частицы.

Полагая, что подвод теплоты к поверхности частицы происходит за счёт конвекции, плотность теплового потока может быть определена в соответствии с законом Ньютона-Рихмана:

Ч = ав (в — гнас) (17)

где ав - межфазный коэффициент теплоты во влажной камере.

Если предположить, что тонкая плёнка воды на поверхности частицы не оказывает существенного влияния на интенсивность межфаз-

ного теплообмена, т.е. ас = ав, то из совместного решения (14), (16) и (17) и интегрирования, получаем

Рж [сж (гнас - гв ) + Гп ]

т =

А /I о Л 0,65 -0,65

0,42ÀB w в vB

(B - tнас )

(R + Ô)0'65 - R06

(18)

Полученные аналитические соотношения (6), (11) и (18) являются научной базой для разработки инженерной методики расчета воздухоохладителя косвенно-испарительного типа.

Литература

1. Кокорин О.Я. Испарительное охлаждение для целей кондиционирования воздуха. - М.: Стройиздат, 1965. - 160 с.

2. Агапов Ю.Н., Бараков А.В., Осташев А.Е. Выбор и обоснование тепломассообменной поверхности аппарата испарительного охлаждения воздуха / Теплоэнергетика: сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1995. с.133-142

3. Пат. 59786 РФ МПК Е28Б15/00 Воздухоохладитель /Ю.Н.Агапов, А.В.Бараков, А.М.Наумов

№ 2006114868. Заявл. 2.05.06 Опубл. 27.12.06, бюл. №36.-3с.

4. Бараков А.В., Дубанин В.Ю., Прутских Д.А. Исследование теплообмена в регенераторе с дисперсной насадкой // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №4(48) с.45-46

5. Бараков А.В., Дубанин В.Ю., Прутских Д.А. Исследование гидродинамики регенератора с дисперсной насадкой // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. №1(57) с.47-48.

6. Прутских Д.А. Гидродинамика и теплообмен в регенераторе с дисперсной насадкой: дис. канд. тех. наук. Воронеж: ВГТУ, 2009. 108с.

Воронежский государственный технический университет

MODELLING OF HEAT-MASS EXCHANGE IN AIR-COOLER WITH INDIRECT

TRANSPIRATION COOLING

A.V. Barakov, V.Y. Dubanin, D.A. Prutskikh, A.M. Naumov

Analytical parities for computation of heat-mass exchange in dry and wet chambers of air-cooler are acquired Key words: air-cooler, evaporation, heat-mass exchange, checker filling, fluidized bed