CC BY
10
М Инженерный вестник Дона, №2 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2022/7449
Особенности протекания процессов тепло- и массообмена в форсуночной
камере
12 3 1 1
А.Н.Гвоздков ' , Р.Ш.Мансуров , О.Ю.Суслова , С.С.Абросимова ,
А.И.Коваленко 1
1 Волгоградский государственный технический университет 2 НИИ Строительной физики РААСН 3Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет
Аннотация: В данной статье рассмотрены особенности протекания процессов тепло- и массообмена с учетом формирования поверхности контакта при взаимодействии воздуха и капель воды, распыляемой в рабочем пространстве форсуночной камеры орошения. Представлены результаты численного моделирования процессов тепло- и массообмена, позволившие установить условия распыления жидкости, обеспечивающие наиболее эффективное протекание процессов тепло- и влагообмена в рабочем пространстве форсуночной камеры.
Ключевые слова: система кондиционирования воздуха, форсуночная камера, тепло- и массообмен, диффузионная модель, эффективность, параметры капли, расчетная модель, численное моделирование.
Одним из направлений повышения эффективности систем кондиционирования воздуха (СКВ) является оптимизация их энергопотребления, в частности, снижение затрат энергии на тепловлажностную обработку приточного воздуха в контактных аппаратах за счет интенсификации процессов тепло- и массообмена (ТМО) [1, 2].
Изучению процессов тепловлажностной обработки воздуха в различных типах контактных аппаратов посвящено большое количество исследований [3-5].
Как известно, наиболее широкое применение в качестве контактных аппаратов, используемых в составе центральных кондиционеров и других воздухоприготовительных центров, входящих в состав СКВ, получили форсуночные камеры орошения (ФКО), в которых поверхность контакта образуется при распылении воды с помощью широкофакельных центробежных форсунок [6-8].
Эффективность обработки воздуха в ФКО достигается как за счет значительной поверхности контакта с высокой плотностью орошения и полидисперсным спектром распыла капель, так и за счет различных технологий обработки воздуха в их рабочем пространстве [9].
Особый характер взаимодействия воздуха и воды в условиях развитой турбулентности, наличие фазовых превращений в условиях, близких к насыщенному состоянию воздуха, значительно затрудняют описание протекающих процессов ТМО.
В процессе взаимодействия изменяется температура потока воздуха, размер, скорость, траектория капли и др. параметры взаимодействия [6].
Одним из важнейших показателей при оценке эффективности работы ФКО является интенсивность процессов ТМО, в частности скорость испарения капли.
В настоящее время теоретические представления о процессах ТМО основаны на рассмотрении диффузионной модели, учитывающей влияние сил поверхностного натяжения при анализе фазовых превращений в результате обмена энергией контактирующих сред на границе раздела фаз [10,11].
Использование диффузионной модели предполагает, что на поверхности капли формируются пограничные слои, а влага находится в состоянии насыщения. При этом передача тепла в пределах пограничного слоя осуществляется путем теплопроводности, а перенос массы -молекулярной диффузией.
Конвективный теплообмен для сферической капли определяется из выражения:
= а, 2 М, (1)
и
где та, срс1 - масса и теплоемкость капли; аа- коэффициент теплоотдачи; ьТТ=Та - Т - разность между температурой водяных паров на поверхности капли и в окружающем воздухе.
Скорость испарения одиночной капли представляется в виде:
Ж = — = АжБг{ас1 - а), (2)
йт
где М - масса капли; т - время; В - коэффициент диффузии молекул пара; и с концентрация водяных паров, соответственно, на поверхности капли и в окружающем воздухе.
Следует отметить, что концентрация насыщенных водяных паров вблизи поверхности будет определяться не температурой окружающего воздуха, а температурой капли, величина которой в большинстве случаев является неизвестной.
Если не учитывать эту особенность процесса, то при определении скорости испарения невозможно получить достоверные результаты.
Время испарения т капли воды радиусом до радиуса г0 определяется по формуле [12]:
т_ рЯТ (г2 - г2) рЯТ (г2 - г2)
2Втн2а
(Рк -Р) 2БтН2аРк(1 -я,) 4 '
где (р0 - относительная влажность воздуха на вблизи поверхности капли.
Как показали экспериментальные исследования [11, 13], скорость и время испарения в случае мелких капель (менее 0,05мм) в 4^6 раз меньше, чем дает формула 3. Это говорит о сильных упрощениях в диффузионной модели и требует проведения дополнительных исследований.
Следует также отметить, что время нахождения капли воды в рабочем пространстве ФКО при массовой скорости воздушного потока до 2,5 кг/с м составляет около 0,37 сек. За столь короткий промежуток времени
М Инженерный вестник Дона, №2 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2022/7449
проследить динамику изменения параметров капли при проведении физического эксперимента практически невозможно.
По этой причине для изучения особенностей процессов ТМО, протекающих в рабочем пространстве ФКО, особый интерес представляют методы их численного моделирования, в частности, в программном комплексе ANSYS.
Для проведения численного исследования процессов ТМО была выбрана смешанная эйлерово - лагранжева постановка задачи [14].
Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу с учетом межфазного взаимодействия, а также уравнения двухпараметрической модели турбулентности к- е со стандартными константами.
Влагообмен между воздушной средой и водяной каплей определялся по зависимости:
dm _р_
dt
0е если Т >Т
V Р в
Ж
л • ^ -РР • О • 1п
Р Жа
^Л 1 - X
V тР У
(4)
если Тр < Тв
где V - скрытая теплота парообразования капель; Qc- конвективный тепловой поток; ТВ- точка испарения; dР - диаметр капли; В - коэффициент диффузии; БИ - число Шервуда; Жс и -молекулярные массы пара и воды; ХБ - мольная доля равновесного пара испаряющегося компонента на поверхности капли; Хуар - мольная доля испаряющегося компонента в газовой фазе.
Численные исследования были направлены на изучение особенностей процессов ТМО, а также определение степени влияния различных параметров воздушной среды и параметров капли на их протекание.
и
Выходные параметры воздушной среды измерялись по конечным среднемассовым значениям, параметры капли отслеживались по всей траектории ее полета через каждые 10 см от точки инжекции до выхода из расчетной области.
В качестве исследуемых рассматривались следующие параметры: время полета капли; изменение ее диаметра, температуры и скорости, а также среднее влагосодержание воздуха.
На основе математической модели в ANSYS CFX выполнена серия 3D расчетов, в которых изменялись параметры капли (йр> Тр) и воздуха (Ж», Т»).
При выполнении расчетов принимались следующие значения входных переменных: температура воздуха (Т») - 10, 17, 24, 30°С; влагосодержание воздуха (Ж») - 1, 5, 10 г/кг; температура капли (Тр) - 15, 30, 45°С; диаметр капли (ар) - 1; 0,5; 0,2; 0,1; 0,05 мм, начальная скорость капли Ур=2 м/с.
Параметры воздуха в начальный момент имели следующие значения: скорость ¥»= 0,1 м/с; начальная температура (Т») - 10, 17, 24 и 30°С, а влагосодержание было равно (Ж») - 1,5 и 10 г/кг.
Всего было рассчитано 180 вариантов различных сочетаний входных параметров. Задача решена в стационарном приближении.
В результате расчетов во всех исследованных случаях были получены поля температуры, скорости и диаметра капли, а также концентрации водяных паров. Проведено сравнение скорости испарения капель различных диаметров при различных начальных условиях взаимодействия.
В качестве наиболее эффективного рассматривался процесс, в котором капля воды полностью испаряется за время ее нахождения в рабочем пространстве.
Ниже показаны результаты наиболее интенсивных процессов увлажнения воздуха при высоких значениях Тр и Т» и влагосодержании воздуха Ж».
На рис. 1а представлена графическая зависимость изменения относительных размеров капель (у, %) различных начальных диаметров в зависимости от расстояния до точки инжекции х при значениях параметров ТЮ=30°С, Жх=1 г/кг, Тр=45 0С.
Анализ результатов моделирования показывает, что в процессе ТМО изменение относительного размера капель с начальным диаметром 1,0 мм и 0,5 мм не превышает 4 %, что хорошо согласуется с результатами ранее проведенных исследований [15].
В то же время, капли с начальным диаметром 0,1 мм и 0,05 мм полностью испарились во время контакта, что говорит о высокой эффективности процесса ТМО при данных условиях взаимодействия сред.
На рис. 1б показана графическая зависимость влияния температуры воздуха Ты на изменение относительных размеров капель диаметром 0,1 мм и 0,05 мм при значениях параметров Жх=1 г/кг и Тр=45°С в процессе ТМО.
Как видно из полученного графика, если Тх < 24°С, то капли диаметром 0,1 мм будут выпадать в поддон ФКО, не раскрывая полностью термодинамический потенциал своей эффективности.
0 30 60 90 120 150 0 30 60 90 120 150
X, ЧГ. V. 8ГП
а б
Рис.1. Относительные размеры капли в зависимости от расстояния до точки инжекции (х=0 см): а - при различных начальных диаметрах капли при ТЮ=30°С, Жю=1 г/кг, Тр=45°С; б - при различных температурах для капель 0,1
мм (штриховые линии) и 0,05 мм (сплошные линии) при Ж»=1 г/кг, Тр=45°С (б).
На рис. 2 показано изменение температуры капель, Тр, различных диаметров при Ж»=1 г/кг, Т»=30 оС и с1р =1(А), 0,5 (В), 0,2 (С), 0,1 (О) и 0,05 мм (Е). В случае А и В процесс увлажнения происходит наиболее интенсивно за счет высокого температурного напора, но размер капель не позволяет им испариться полностью на протяжении всей траектории полета. В случаях С, D и Е изменение температуры капли до минимальной происходит в самом начале траектории, что с одной стороны уменьшает процессы интенсификации теплообмена, однако в случаях D и Е капли, размером 0,1 и 0,05 мм, полностью испаряются, не проходя всю траекторию.
Рис.2. Изменение Тр различных диаметров при Ж»= 1 г/кг, Т»=30°С и 4=1 (А); 0, 5(В); 0,2(С); 0,2(С); 0,1(0) и 0,05(Е)
На рис. 3 показано изменение ар капель 0,05 (г) и 0,1 мм (Ь) при Ж»= 1 г/кг, Тр=45°С и Т»=10(0), 17(Н), 24(К) и 30°С(Ь). Для капель размером 0,05 мм. можно наблюдать, что при любых температурах в случае единичной капли испарение происходит в самом начале взаимодействия с воздухом. В опыте с размером капли 0,1 мм (случаи О и Н) испарение происходит в самом конце канала. В реальных условиях обработки воздуха в ФКО, скорее всего, испарения капли в рабочем пространстве ФКО не произойдёт.
Следовательно обработка каплями более 0,1мм для процесса увлажнения менее эффективна ввиду наличия капель, выпадающих в поддон камеры.
GHKL GHKL
Рис.3. Изменение dp капель 0,05 (а) и 0,1 mm (b) при Wa)=1 g/kg,Tp=45°C и Тю =10(G);17(H);24(K) и 30°C (L)
Заключение. Изучение особенностей протекания процессов ТМО в форсуночной камере показало необходимость их численного моделирования.
Разработанная математическая модель движения водяной капли в воздушном канале позволила определить ее параметры для формирования оптимальных условий взаимодействия в рабочем пространстве ФКО, обеспечивающих наиболее эффективное протекание процессов ТМО.
В дальнейшем, построенная расчетная модель может быть использована при разработке новых устройств и для моделирования процессов ТМО в ФКО при решении вопросов оптимизации конструктивных решений рабочего пространства.
Литература
1. Андреев Е.И. Расчет тепло- и массообмена в контактных аппаратах. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 192 с.
2. Gvozdkov A. Modern solutions to improve the efficiency of air treatment in HVAC systems: 9th International Conference "Environmental Engineering", 2224 May, 2014, Vilnius, Lithuania. - Vilnius: Vilnius Gediminas Technical
University
Press
Technika,
2014.
URL:
enviro2014.vgtu.1t/Articles/6/260_Gvozdkov.pdf
3. Гвоздков А.Н. Общая характеристика процессов тепло- и влагообмена в контактных аппаратах и методов их расчета // Вестник
университета. Серия: Строительство и архитектура. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2006. Вып. 6 (21). С. 148-153.
4. Богословский В. Н. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / В.Н. Богословский, М. Я. Поз. М.: Стройиздат, 1983. 320 с.
5. Тарабанов М.Г., Видин Ю.В., Бойков Г.П. Тепло- и массоперенос в камерах орошения кондиционеров с форсунками распыления. Красноярск: Изд-во КПИ, 1974. 211 с.
6. Кокорин О.Я. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции, кондиционирования. М.: Издательство АСВ, 2013. 256 с.
7. Гвоздков А.Н., Суслова О.Ю., Авдонин А.В., Викстрем А.А., Разработка современных энергоэффективных воздухоприготовительных центров систем кондиционирования воздуха и вентиляции // Инженерный вестник Дона, 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4195.
8. Гвоздков А.Н., Суслова О.Ю., Королев М.А., Решетников В.И. Регулирование влагосодержания приточного воздуха в многозональных СКВ общественных зданий // Инженерный вестник Дона, 2018, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/5007.
9. Pandelidis, D.; Anisimov, S.; Worek William M. Performance study of the Maisotsenko Cycle heat exchangers in different air-conditioning applications. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Volume 81 (2015). pp. 207-221.
Волгоградского
государственного
архитектурно-строительного
10. Hinds W.C. Aerosol Technology: Properties, Behavior and Measurement of Airborne Particles. - John Wiley and Sons, New York. 1999. 504 p.
11. Косарев А.В., Ситников А.Г. Испарение сферической капли в газе среднего давления. // УФН. Т.171, №7, 2001. С. 765-774.
12. Фукс Н.А. спарение и рост капель в газовой среде. М.: Изд-во АН СССР, 1958. 91 с.
13. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1988. 502 с.
14. Гвоздков А.Н., Мансуров Р.Ш., Суслова О.Ю. Численное исследование процессов тепло- и влагообмена в форсуночной камере // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. Материалы XVIII Международной научной конференции. Москва, 25-29 сентября 2020 г. С. 204-214.
15. Стефанов Е. В. Об одной особенности процессов тепло- и массо-обмена в форсуночных камерах // Труды III Всесоюзного научно-технического совещания по кондиционированию воздуха. М., 1965. С. 134143
References
1. Andreev E.I. Raschet teplo-i massoobmena v kontaktnyh apparatah [Calculation of heat and mass transfer in the contact units]. L.: Jenergoatomizdat, 1985. 192 р.
2. Gvozdkov A. 9th International Conference "Environmental Engineering", 22-24 May, 2014, Vilnius, Lithuania. Vilnius: Vilnius Gediminas Technical University Press Technika. 2014. URL: enviro2014.vgtu.lt/Articles/6/260_Gvozdkov.pdf.
3. Gvozdkov A.N. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Ser. Stroitel'stvo i arhitektura. Volgograd: Izd-vo VolgGASU. 2006. Vyp. 6 (21). рр. 148-153.
4. Bogoslovskij V.N., Poz M.Ja. Teplofizika apparatov utilizacii tepla sistem otoplenija, ventiljacii i kondicionirovanija vozduha [Thermophysics of units waste heat recovery systems heating, ventilation and air-conditioning]. M.: Strojizdat, 1983. 320 p.
5. Tarabanov M.G., Vidin Ju.V., Bojkov G.P. Teplo- i massoperenos v kamerah oroshenija kondicionerov s forsunkami raspylenija [Heat and mass transfer in spray chambers of air-conditioners with spray nozzles]. Krasnojarsk: KPI, 1974. 210 p.
6. Kokorin O.Ja. Jenergosberezhenie v sistemah otoplenija, ventiljacii, kondicionirovanija [Energy saving in heating, ventilation, air conditioning systems]. M.: Izdatel'stvo ASV, 2013. 319 p.
7. Gvozdkov A.N., Suslova O.YU, Avdonin A.V., Vikstrem A.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2017. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4195/.
8. Gvozdkov A.N., Suslova O.YU., Korolev M.A., Reshetnikov V.I. Inzhenernyj vestnik Dona. 2017. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/5007/.
9. Pandelidis D., Anisimov S., Worek William M. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Volume 81 (2015). pp. 207-221.
10. Hinds W.C. Aerosol Technology: Properties, Behavior and Measurement of Airborne Particles. John Wiley and Sons, New York. 1999. 304 p.
11. Kosarev A.V., Sitnikov A.G. UFN. T.171, №7, 2001. pp. 765-774.
12. Fuks N.A. Isparenie i rost kapel' v gazovoj srede [Evaporation of droplets in a gas environment]. M.: Izd-vo AN SSSR. 1958. 91 p.
13. Frank-Kameneckij D.A. Diffuziya i teploperedacha v himicheskoj kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. M.: Nauka, 1988. 502 p.
М Инженерный вестник Дона, №2 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2022/7449
14. Gvozdkov A.N., Mansurov R.Sh, Suslova O.Yu. Materialy XVIII Mezdunarodnoj nauchnoj konferencii (Moskva, 25-29 sentyabrya 2020 g.). Volgograd, 2020. рр. 255-262.
15. Stefanov E.V. Trudy III Vsesojuznogo nauchno-tekhnicheskogo soveschanija po kondicionirovaniyu vozducha. M.: Strojizdat, 1965. pp.134-143.
