Процессы тепло- и массопереноса в вихревых устройствах для кондиционирования и увлажнения воздуха

УДК 620.9:662.92

Процессы тепло- и массопереноса в вихревых устройствах для кондиционирования и увлажнения воздуха

Канд. техн. наук А. В. ТАРНОПОЛЬСКИЙ

Пензенский государственный университет

In vortical streams of gases and biphase liquids-gas environments there are high-intensity processes of carry of heat and weights that allows to use vortical devices for an air conditioning. It is established, that in a basis of model of power division of gases at vortical current turbulence lays. In an axial zone of the vortical chamber of a spray vortical streams of air create the underpressure providing submission of a liquid and formation of a dispersion. The principle of work of vortical climatic system is based on joint realization of processes of cooling of air in a vortical pipe, and also as a result of formation of a dispersion and evaporation of the liquid sprayed by a vortical spray.

Вихревые процессы в газовых и двухфазных жидко-стно-газовых средах характеризуются значительными перепадами температур и давлений, что приводит к высокоинтенсивным процессам тепло- и массопереноса, которые находят применение для кондиционирования воздуха. Вихревые потоки воздуха создаются в вихревых трубах, работа которых основана на использовании эффекта Ж. Ранка. Сущность эффекта Ранка заключается в том, что сжатый воздух сдавлением 0,2...0,6 МПа с большой скоростью подается через специальное сопло в цилиндрическую вихревую камеру тангенциально к ее внутренней поверхности. При этом в вихревой камере образуются два вихревых потока. В результате сложного энергетического взаимодействия между по-

токами происходит их температурное разделение, при котором один из потоков - периферийный - нагревается, а второй - центральный - охлаждается до 30 °С относительно температуры подаваемого сжатого воздуха. Холодный и горячий потоки выводятся из торцов трубы через диафрагму и дроссель соответственно 111. Термодинамическая эффективность процесса энерго-разделения в вихревых трубах определяется степенью расширения в ней

*=А/Ат»

где Р] - давление сжатого газа на входе в сопло;

рЛТ давление среды, в которую происходит истечение.

Рис. 1. Формирование турбулентных элементов на входе вихревой трубы:

1 — стенка трубы; 2 — тангенциальное входное соню;

3 — профиль скорости газа на входе в вихревую трубу;

4, 5 — микровихри; 6, 7 — элементы вихревого потока с отрицательной и полож ительной пульсацией скорости;

Г — результирующая сила

Эффект энергоразделения заметно проявляется лишь при использовании в качестве рабочего тела сжимаемой среды (газа) 11, 2|.

В основе модели энергетического разделения газов при вихревом течении лежит турбулентность. Благодаря трению потока газа о стенки соплового ввода и

Рис. 2. Схема вихревого диспергатора-распылителя:

1 — тангенциальный ввод сжатого воздуха; 2 — емкость с жидкостью; 3 - осевая область распылителя; 4 — зона диспергирования; 5 — поток выходящего воздуха;

6 — факел воздушно-жидкостного аэрозоля; 7 — верхнее отверстие

Рис. 3. Зависимость снижения температуры выходящего из распылителя воздуха от давления воздуха на входе вихревой камеры. Отношение диаметров диафрагм воды и воздуха:

1 - 3/21; 2 - 3/23; 3 - 5/21; 4 - 5/23; 5 - 6,5/23

резкому изменению сечения канала на выходе из тангенциального сопла создается турбулентность вихревого потока (рис. I).

Из-за различия скоростей элементарных частиц турбулентного потока возникают положительные и отрицательные пульсации скорости, приводящие к разделению частиц: обладающие более высокой скоростью и энергией элементарные частицы газа смещаются к периферии (к стенке) вихревой камеры, а частицы с малой скоростью — в осевую зону. В периферийном вихревом потоке будут концентрироваться элементы газа с более высокими тангенциальной скоростью и кинетической энергией, что приведет к нагреву периферийного потока. В осевом потоке окажутся частицы газа с низкой кинетической энергией, и его температура будет снижаться. При этом в осевой зоне вихревой камеры будет снижаться статическое давление, что приведет к еще более интенсивному охлаждению осевого потока. Охлажденный воздух может направляться непосредственно в кондиционируемое помещение.

Ххарактеристиками вихревой трубы являются разность температур АТ — 7'0 — Тс входящего Т{) и холодного 7’с потоков и относительный массовый расход холодного газа ц = (7с/Сг0, где (7С и 6’0 — массовый расход охлажденного и исходного газа. Удельная массовая холодопроизводительность характеризует мощность трубы как охлаждающего устройства:

Яс = \хМ'с ср,

где ср — теплоемкость газа при постоянном давлении.

Вихревой диспергатор-распылитель |3| подает поток сжатого воздуха через сопло, тангенциально расположенное относительно внутренней цилиндрической поверхности вихревой камеры. Принцип работы вихревого диспергатора-распылителя представлен на рис. 2. При подаче сжатого воздуха через тангенциальный ввод 1 в корпусе распылителя возникают вихревые потоки, которые создают в осевой области 3 разрежение, благодаря чему из емкости 2 через трубопровод в распылитель поступает жидкость. Вихревые потоки диспергируют поступающую жидкость в зоне 4 и распыляют ее через сопло в виде факела 6 мелкодисперсного потока (воздушно-жидкостного аэрозоля). Часть воздуха, отражаясь от дна рабочей полости, увлажняется и выходит через верхнее отверстие 7. Вследствие действия эффекта Ранка и частичного испарения жидкости температура выходящего воздуха 5 понижена.

Испарение распыляемой жидкости происходит в испарительной полости теплообменника, а через его сухую полость проходит охлаждаемый поток воздуха.

Экспериментальные зависимости снижения температуры выходящего из распылителя воздуха от давления сжатого воздуха на входе вихревой камеры при различных размерах диафрагм вихревого диспергатора-распылителя ВР 33 приведены на рис. 3. С увеличением давления сжатого воздуха возрастают скорости вихревых потоков, что и приводит к интенсификации процессов диспергирования жидкости и ее испарения внутри диспергатора-распылителя. Оптимальным давлением воздуха на входе вихревой камеры ВР 33 можно считать 0,15...0,2 МПа, при котором снижение температуры воздуха достигает 10 “С.

В случае совместной работы вихревой трубы и диспергатора-распылителя нагретый поток воздуха из вихревой трубы утилизируется в вихревом распылителе, обеспечивая его работу, что значительно повышает эффективность трубы.

Суммарная холодопроизводительность вихревых устройств кондиционера испарительно-вихревого типа может быть определена из условия

С& = СК, + 0),ех + где ()„, — количество теплоты, отведенное от воздуха при охлаждении в вихревой трубе (холодопроизводительность трубы);

Оиех ~ количество теплоты, отведенное от воздуха при прохождении по сухой полости теплообменника; Олир ~ количество теплоты, отведенное от воздуха при прохождении через вихревой диспергатор-распылитель.

Средняя холодопроизводительность вихревой трубы £>„,=ср ОсАТ.

Количество тепла, отведенного от воздуха при прохождении по сухой полости теплообменника, составит

Оиех = (’Иех с'р(11 - ^)> где (1кех — расход воздуха через сухую полость теплообменника, кг/ч;

11 и — соответственно температура воздуха на входе и выходе из теплообменника.

Количество тепла, необходимое для испарения в теплообменнике распыленной воды, равно

Оеу = ае* Г,

где — количество паров воды, образовавшихся в процессе испарения, кг/ч;

г— теплота парообразования для воды, кДж/кг. Количество паров воды, образовавшихся в процессе испарения:

^*Аехиг (^2 ) •

где 0Иет — расход воздуха через испарительную полость теп лообменни ка;

с/2 и с1^ — влагосодержание паров в воздухе на выходе и входе теплообменника.

Принцип работы вихревой климатической системы основан на совместной реализации процессов охлаждения воздуха в вихревой трубе и при диспергировании и испарении жидкости, распыляемой вихревым диспер-гатором-распылителем. Вихревые устройства отличаются от аналогов чрезвычайной простотой (в их конструкции всего от 4 до 5 деталей) и высокой надежностью в работе (нет подвижных соединений), малой энергоемкостью (работают при давлении сжатого воздуха

0.20...0.25.МПа).

Список литературы

1. Меркулов А. 11. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969.

2. Пиралишяти 111.А. Вихревой эффект// Известия РАН. Энергетика. 2000. № 5.

3. Тарнопольскии, А. В. Исследование процессов тепло- и мас-сопереноса в двухфазных жидкостно-газовых вихревых потоках / А. В. Тарнопольский // Вестник ИжГТУ: период, науч.-теор. журн. И ж [ГУ 2006. № 2.