Штокман Е.А. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
Количество теплоты, переданной путем конвекции, равно:
(4.28)
где q
я
— количество теплоты, переданное от воды воздуху, кДж/(м
2
ч);
α
к
— коэффициент конвективного теплообмена, кДж/(м
2
ч°С);
t
B
— температура воздуха, °С;
t
w
— температура поверхности воды, °С. Количество обменной влаги в процессе контакта воздуха с поверхностью воды при нормальном
барометрическом давлении определяется уравнением:
(4.29)
где W — количество обменной влаги, кг/(м
2
ч);
Р — коэффициент влагообмена, кг/(м
2
ч);
р
в
— парциальное давление водяных паров в пограничном слое
воздуха у поверхности воды, кПа;
р
п
— парциальное давление водяных паров в пограничном слое
воды, кПа. Парциальное давление водяных паров в воздухе является однозначной и почти линейной функцией его влагосодержания, поэтому удобнее
пользоваться не разностью парциальных давлений, а разностью влагосодержаний. Так как камеры орошения кондиционеров работают в области
сравнительно низких температур (до 20 °С), можно приближенно принять
Подставив р
в
- р
п
в уравнение (4.29), получим количество обменной влаги в процессе контакта воздуха с поверхностью воды
(4.30)
где d
B
— влагосодержание в основной массе воздуха;
d
H
— влагосодержание воздуха в пограничном слое (при температуре, равной температуре поверхности воды, и при полном насыщении воздуха
водяными парами);
Р' = РА. Количество скрытой теплоты, обмениваемой между воздухом и водой, составит:
(4.31)
где г = 2500 кДж/кг — скрытая теплота фазового перехода жидкость — пар.
В результате влагообмена при t
w
> t
B
будет происходить испарение воды в воздух, а при t
w
< t
B
— конденсация на поверхности воды пара из воздуха.
Полное количество теплоты, переходящее от воды к воздуху, при t
w
> t
B
равно:
(4.32)
В тех случаях, когда t
B
> t
w
и теплота переходит от воздуха к воде, полное количество теплоты равно:
(4.33)
или
(4.34)
Уравнение (4.34) можно применять во всех случаях, если условно считать тепловой поток от воздуха к воде положительным, а от воды к воздуху —
отрицательным.
Американский ученый Льюис для адиабатного процесса увлажнения воздуха сделал вывод о постоянстве отношения между коэффициентами тепло- и
влагообмена и о равенстве этого отношения массовой теплоемкости влажного воздуха, т
.е.
(4.35)
Подставив значение r и α
к
/β' из уравнения (4.35) в уравнение (4.34), получим
или
(4.36)
где J
B
, J
w
— энтальпия влажного воздуха соответственно при t
B
и t
w
. Слагаемое t
w
(d
B
- d
H
) по сравнению с (J
B
- J
w
) весьма незначительно (около 0,5%).
Поэтому уравнение (4.36) можно представить в виде:
q
n
= β'(J
B
-J
W
). (4.37)
Уравнение (4.36) позволяет определить энтальпию воздуха после его обработки, т. е. один из двух параметров, минимально необходимых для
характеристики состояния воздуха. Для определения второго параметра запишем следующие уравнения:
Q
n
= G
k
(J
в
- J
w
);
W = G
K
(d
B
-d
w
).
Разделив левую и правую части первого уравнения на соответствующие части второго, получим
(4.38)
Уравнение (4.38) в координатах J-d-диаграммы влажного воздуха определяет угловой коэффициент прямой, проходящей через точку В
с параметрами J
B
, d
B
, характеризующую начальное состояние воздуха, и через точку w (J
w
, d
w
), характеризующую состояние воздуха при температуре
воды t
w
и относительной влажности ф = 100%. Из уравнения (4.38) можно сделать вывод, что при непосредственном контакте воздуха с водой при
t
w
=const процесс изменения состояния воздуха изображается на J-d-диаграмме отрезком прямой, которая определяет процесс изменения состояния
воздуха во время его взаимодействия с водой.
В приведенных выше выводах исходили из того, что во время взаимодействия воздуха с водой энтальпия J
w
и влагосодержание d
w
оставались
постоянными. На практике в камерах орошения кондиционеров температура воды изменяется в пределах 3-4 °С. В результате линия, отображающая
процесс тепловлагообмена на диаграмме, будет иметь некоторую кривизну. Обычно указанными изменениями пренебрегают.
Процессы обработки воздуха водой Возможные направления процессов взаимодействия воздуха и воды, происходящие в камере орошения
кондиционеров, показаны на рис. 4.7. Процессы представлены
линиями, расположенными в области криволинейного треугольника АБВ, у которого
одной стороной является кривая ф = 100%, а двумя другими — касательные к этой кривой, проведенные из точки А, характеризующей начальное
состояние воздуха. Любой процесс взаимодействия воздуха с водой постоянной температуры изображен в виде луча, находящегося в пределах этого
треугольника, так как ни один
луч, выходящий из точки А вне треугольника, не может пересечься с кривой ф = 100%. Возможны следующие
характерные процессы взаимодействия воздуха с водой постоянной температуры t
w
.
Если температура воды выше температуры воздуха по сухому термометру (t
w7
<t
A
), то процесс взаимодействия воды и воздуха изображается линией А-
7. Такой процесс обработки воздуха протекает с увеличением его температуры, энтальпии и влагосодержания.
При температуре воды, равной температуре воздуха по сухому термометру (t
w6
=t
A
), изменение состояния воздуха (линия А-6) характеризуется
увеличением его энтальпии и влагосодержания (J
6
>J
a
и d
6
>d
А
)- Процесс взаимодействия воздуха с водой, температура которой ниже температуры
воздуха по сухому термометру, но выше его температуры по мокрому термометру (t
H
<t
w5
<t
A
), изображается линией А-5. В этом случае энтальпия и
влагосодержание воздуха увеличиваются (J5>Ja. d5>
a
A), а температура уменьшается (t
5
<t
A
).
Рис. 4.7. Изображение на J-d-диаграмме семи возможных процессов взаимодействия воздуха с водой постоянной температуры.
Во всех трех рассмотренных случаях в результате взаимодействия воздуха и воды энтальпия и влагосодержание воздуха увеличиваются и,
следовательно, линии А-7, А-6 и А-5 характеризуют процессы изменения состояния воздуха, при которых тепло- и массообмен осуществляются в
направлении от воды к воздуху.
При взаимодействии воздуха с водой, температура которой равна температуре мокрого термометра (t
w4
=t
M
), энтальпия обрабатываемого воздуха не
изменяется (∆J =0). Влагосодержание повышается (d
4
>d
A
), так как водяные пары воспринимаются воздухом. Поскольку температура воздуха выше
температуры воды (t
A
>t
w
4), он охлаждается.
В данном случае постоянное значение энтальпии объясняется тем, что при t
w4
=t
M
увеличение одной составляющей энтальпии, вызванное повышением
влагосодержания воздуха (увеличение скрытой теплоты), полностью компенсируется уменьшением другой составляющей (уменьшением явной
теплоты) вследствие понижения температуры воздуха.
При понижении температуры воды до t
w3
(t
p
< t
w3
< t
M
) изменение состояния воздуха изображается линией А-3 и характеризуется переносом теплоты от
воздуха к воде (t
A
> t
w3
), а водяного пара — от воды к воздуху, так как парциальное давление водяного пара в воздухе, окружающем поверхность
капель воды, больше парциального давления водяного пара, находящегося в воздухе (р
3
> р
А
).
Когда температура воды равна температуре точки росы обрабатываемого воздуха (t
w2
= t
p
), массообмен между воздухом и водой отсутствует (∆р = р
А
-
р
2
= 0). Теплообмен осуществляется от воздуха к воде (сухое охлаждение).
При дальнейшем понижении температуры воды (t
w1
< t
p
) также происходит охлаждение воздуха, но с одновременным понижением его
влагосодержания. Парциальное давление водяного пара в воздухе, окружающем поверхность капель воды, становится меньше парциального давления
водяного пара обрабатываемого воздуха (р
1
< р
А
). Таким образом, воздух теряет теплоту и влагу, т. е. происходит охлаждение воздуха с
одновременным осушением.
При рассмотрении изменений состояния воздуха в результате его взаимодействия с водой принимают параметры воздуха на выходе из камеры
орошения кондиционера t=t
w
и ф = 100%. Практически в камерах орошения воздух насыщается до ф = 90-95%, и точки, характеризующие конечные
состояния воздуха, находятся несколько левее линии ф = 100%. Действительное положение точек, отвечающих конечным параметрам воздуха, зависит
от суммарной площади поверхности контакта воздуха с водой, а также от значений коэффициентов тепло-и массопереноса.
При контакте воздуха с водой невозможно осуществить три следующих процесса: осушку и одновременное нагревание воздуха, нагревание воздуха
без изменения влагосодержания и осушку воздуха без изменения его температуры. Все эти процессы изображаются линиями, лежащими вне
треугольника АБВ, и не могут быть осуществлены при непосредственном контакте воздуха с водой. Для проведения процессов осушки воздуха при
одновременном его нагревании
можно использовать вещество, обладающее большой адсорбционной способностью к влаге (например, активированный
уголь, силикагель, алюмогель, губчатая платина и др.). При непосредственном контакте обрабатываемого воздуха с адсорбентом происходит его
осушка и нагревание. Нагревание воздуха без изменения его влагосодержания можно осуществить в поверхностном воздухоподогревателе.
Эффективность теплообмена в камерах орошения кондиционеров
Процесс взаимодействия воздуха
с водой в камере орошения при t
w
= const приводит к тому, что конечная температура воздуха будет равной
температуре воды, стекающей в поддон камеры, т. е. t
B
= t
w
(идеальный процесс). На J-d-диаграмме такой процесс изобразится отрезком прямой (рис.
4.8), соединяющей точку Н (начальное состояние воздуха) с точкой W, лежащей на кривой насыщения ф = 100%, соответствующей температуре воды
t
w
.
На практике такой процесс обычно не приводит к полному выравниванию температур, и в зависимости от количества воды и воздуха, вступающих в
контакт в единицу времени, а также от длительности взаимодействия воздуха с водой конечное состояние воздуха оказывается промежуточным между
точками Н и W и характеризуется, например, точкой К (ф < 100%), которая соответствует
реальному процессу теплообмена в камере орошения.
Реальные процессы теплообмена отличаются от идеальных.
Коэффициент эффективности теплообмена Е численно характеризует различие процессов теплообмена, протекающих в реальной и идеальной камерах
орошения.
Как видно из построения реального и идеального процессов в камере орошения, на J-d-диаграмме (рис. 4.8) эффективность процесса может быть
представлена следующими отношениями:
(4.39)
где t
H
, d
H
, J
H
— соответственно температура, влагосодержание и теплосодержание воздуха в начале процесса, т. е. воздуха, поступающего в камеру;
t
K
, d
K
, J
K
— то же в конце реального процесса, т. е. воздуха, выходящего из камеры;
t
w
, d
w
, J
w
— то же воздуха при температуре воды, соответствующей идеальному (теоретическому) процессу. Для определения коэффициента
эффективности процесса теплообмена Е можно принимать:
Рис. 4.8. Изображение на J-d-диаграмме идеального и реального процессов теплообмена в камере кондиционера.
— для процессов, протекающих по t=const,
(4.40)
— для процессов, протекающих по J=const,
<
(4.41)
— для процессов, протекающих по d=const,
(4.42)
Для всех политропных процессов можно использовать любое из соотношений (4.39).
В настоящее время отсутствуют надежные способы вычисления или экспериментального определения фактической поверхности контакта между
воздухом и капельками воды, поэтому расчет камер орошения принято производить с помощью коэффициентов эффективности теплообмена. Для
различного типа контактных аппаратов oпределены на основании испытаний численные значения этих
коэффициентов.
В практических расчетах наряду с коэффициентом Е дополнительно вводят универсальный коэффициент эффективности теплообмена:
(4.43)
где Е' — универсальный коэффициент эффективности теплообмена; t
1
, t
2
, — температура воздуха по сухому термометру на входе в камеру орошения
и на выходе из нее, °С; t
м1
, t
м2
- то же по мокрому термометру, °С. Универсальный коэффициент эффективности теплообмена характеризует степень
изменения психометрической разности температур до обработки воздуха в камере орошения и после нее. Этот коэффициент используется при
политропных и адиабатных процессах. При адиабатных процессах (t
M2
=t
M1
)
(4.44)
Коэффициенты эффективности Е и Е' зависят от соотношения количества разбрызгиваемой воды и количества обрабатываемого воздуха. Отношение
количества воды к количеству воздуха называется коэффициентом орошения В:
(4.45)
где W — количество воды, разбрызгиваемой в камере орошения, кг/с; ] G — количество обрабатываемого воздуха, кг/с. На практике при адиабатном
увлажнении воздуха коэффициент 1 орошения В принимают в пределах 0,5-1,5, а при охлаждении и осушении воздуха (политропные процессы с
понижением теплосодержа- J ния) — 1,5-2,5 кг/кг.
Кроме того, коэффициенты эффективности теплообмена зависят от способа и размещения
форсунок и диаметра их выпускного отверстия,
позволяющего получить соответствующие размеры капель разбрызгиваемой воды, от площади поперечного сечения и длины камере орошения,
которые определяют продолжительность взаимодействия воздуха и воды, от направления процессов тепло- и массообмена, а также от массовой
скорости движения воздуха (произведение его скорости на плотность).
4.5. Выбор способа обработки воздуха
в зависимости от климатических условий
Для обеспечения заданных условий воздушной среды (температуры и относительной влажности) в обслуживаемых помещениях необходимо приточный
воздух предварительно подвергать специальной тепловлажностной обработке в кондиционерах.
В зависимости от расчетных параметров наружного воздуха и заданных параметров внутри помещений обработка приточного воздуха может
заключаться в его охлаждении и осушении
или может ограничиться только снижением его температуры за счет адиабатного процесса,
сопровождающегося увлажнением обрабатываемого воздуха.
В местностях с влажным жарким климатом, когда наружный воздух имеет более высокие энтальпию и влагосодержание, чем приточный,
термовлажностная обработка заключается в охлаждении и осушении.
В тех случаях, когда в обслуживаемых помещениях преобладающей вредностью является явная теплота
при незначительных количествах
выделяющейся влаги, в местностях с сухим жарким климатом можно не осушать приточный воздух, а ограничиться снижением его температуры с
помощью адиабатного процесса. При таком способе обработки часть явной теплоты, содержащейся в воздухе, при контакте с распыленной водой,
имеющей температуру, равную температуре мокрого термометра, переходит в скрытую, снижая
температуру воздуха. Энтальпия обрабатываемого
воздуха остается почти неизменной.
Обработка воздуха в кондиционере может проектироваться как по прямоточной схеме, так и с рециркуляцией. Рециркуляция используется как для
экономии теплоты при работе секций подогрева (в прохладный период года), так и для экономии холода в системах кондиционирования, работающих
на охлаждение и осушение воздуха. В пос-
леднем случае энтальпия наружного воздуха больше, чем рециркуляционного. Использовать рециркуляцию в системах кондиционирования воздуха, в
которых применяется адиабатный процесс для снижения температуры приточного воздуха, невозможно, так как энтальпия наружного воздуха в этих
случаях всегда меньше, чем у рециркуляционного.
4.6. Основные процессы обработки воздуха в теплый период года в местностях с сухим
жарким климатом
Как указано выше, обработка воздуха в местностях с сухим жарким климатом может заключаться в использовании адиабатного процесса испарения для
снижения температуры приточного воздуха.
Физическая сущность указанного способа заключается в следующем. Наружный воздух, обрабатываемый в камере орошения кондиционера, вступает в
контакт с капельками разбрызгиваемой воды, которая имеет температуру мокрого термометра
(t
воды
= t
M
). В результате воздух принимает состояние,
близкое к состоянию насыщения (практически ф = 90-95%), за счет происходящего в этом случае испарения влаги. Источником теплоты в процессе
испарения для системы «вода — воздух» является воздух, а потенциалом переноса теплоты — разность температур между воздухом и водой, которая
при t
воды
=
t
м
равна психрометрической разности температур (t
c
-t
M
).
Приточный воздух, отдавая явную теплоту в процессе теплообмена, снижает свою температуру. Теоретически при достижении полного насыщения
конечная температура воздуха должна быть равна температуре мокрого термометра. Практически достичь такого состояния воздуха в камере орошения
не удается.
При адиабатном способе обработки приточного воздуха из всех основных элементов кондиционера функционирует только оросительная камера.
Вода в камере орошения принимает температуру мокрого термометра. Для поддержания этой температуры не требуется специальных охлаждающих
устройств. Расход воды на испарение составляет 3-5%. Остальная вода выпадает в поддон, откуда насосом подается к форсункам. Подпитка камеры
орошения водой осуществляется автоматически.
Изменение температуры разбрызгиваемой воды за счет добавляемой воды практически не наблюдается за счет незначительного количества подпитки.
Для расчетов с достаточной степенью точности можно принимать температуру разбрызгиваемой воды равной температуре мокрого термометра, а
конечное состояние обрабатываемого воздуха определять точкой пересечения линии J=const, проведенной через точку заданного состояния наружного
воздуха, с кривой ф =90%.
Рассмотрим основные схемы обработки воздуха в местностях с сухим жарким климатом и построение
процессов на J-d-диаграмме.
Исходными данными для построения процессов являются расчетные параметры наружного и внутреннего воздуха, а также количество теплоты и влаги,
выделяющееся в обслуживаемых помещениях.
На рис. 4.9 показана принципиальная прямоточная схема обработки при использовании адиабатного (изоэнтальпийного) процесса. Ее связывают с
построением процесса на J-d-диаграмме (рис. 4.10), на которой этими же буквами обозначено
состояние воздуха в соответствующих отдельных
участках схемы.