5709
.pdf41
Представление вышеприведенных зависимостей в безразмерном виде при применении теории подобия позволяет использовать их в широком диапазоне гидродинамических и тепловлажностных условий. Во многих исследованиях рассматривались два характерных гидродинамических режима: естественная конвекция как результат действия гравитационных сил и вынужденная конвекция как следствие воздействия искусственного побудителя для вынужденного движения воздушного потока.
Для процессов тепло- и влагообмена в условиях естественной конвекции
А.В. Нестеренко получил следующие зависимости: |
|
||||||||||
при Ar Pr = 3 · 106 – 2 · 108 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Nu = 5 (Ar Pr)0,104; |
(126) |
|||||||
при Ar Pr' = 3 · 106 – 2 · 108 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Nu' = 0,66 (Ar Pr')0,26, |
(127) |
|||||||
где Nu = |
aL |
– теплообменный (термический) критерий Нуссельта, здесь L – |
|||||||||
|
|||||||||||
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|||
определяющий (характерный) размер поверхности; |
|
||||||||||
Nu¢ = β L – диффузионный (массообменный) критерий Нуссельта; |
|
||||||||||
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|||
D – |
коэффициент диффузии, м2/с; |
|
|
|
|
|
|
||||
Ar – |
|
критерий Архимеда, |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
L3 |
ρ |
- ρ |
пов |
, |
(128) |
||
|
|
|
Ar = g |
|
× |
|
в |
|
|||
|
|
|
v2 |
|
ρ |
в |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρв и ρпов – плотность соответственно окружающего воздуха и воздуха в пограничном слое над поверхностью жидкости, кг/м3;
Pr = n – теплообменный (термический) критерий Прандтля; a
а – коэффициент температуропроводности,
λ |
; |
(129) |
a = cp × ρв |
Pr¢ = n – диффузионный критерий Прандтля.
D
Для условий вынужденной конвекции при Ar Pr > 2 · 108 критериальные зависимости имеют вид:
|
|
|
42 |
|
|
|
|
|
Nu = A·Ren·Pr0,33·Gu0,175 ·Θ2; |
(130) |
|||||
при Ar Pr' > 2 · 108 |
|
|
|
|
|
||
|
Nu' = B·Ren·(Pr')0,33·Gu0,135·Θ2, |
(131) |
|||||
где А и В – числовые коэффициенты; |
|
|
|
|
|
||
Re – |
критерий Рейнольдса, |
|
|
|
|
|
|
|
R e = |
υ × L |
; |
|
(132) |
||
|
|
ν |
|
||||
Gu – |
критерий Гухмана, |
|
|
|
|
|
|
|
Gu = |
Тс − Тм |
, |
(133) |
|||
|
|
||||||
|
|
|
|
Тс |
|
|
|
Тс и Тм – абсолютные температуры соответственно по сухому и мокрому термометрам, К;
Θ – температурный фактор,
Θ = |
Тс |
, |
(134) |
|
Тпов
Тпов – абсолютная температура поверхности, К.
8. ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
При молярном массообмене интенсивность тепломассообменных процессов характеризуется числом Льюиса и уравнением Меркеля.
Рассмотрим динамическое равновесие молярного массообмена между пограничным слоем свободной жидкости и окружающим воздухом по аналогии Рейнольдса (рис.6).
Рис. 6. Схема молярного массообмена
43
При установившемся процессе молярного массообмена количество молей водяного пара, перешедшего из пограничного слоя в воздух, будет равно количеству молей воздуха, поступившего в пограничный слой взамен ушедшему пару:
jп = jв = jµ . |
(135) |
Запишем уравнение Ньютона-Рихмана: |
|
qявн = α · (tпов – tв). |
(136) |
Количество водяного пара, согласно выражению (132), можно определить
как: |
|
jп = βd · (dпов – dв) · 10-3 . |
(137) |
С другой стороны, при имеющихся расходах воздуха удельный тепловой |
|
поток можно сосчитать по зависимости: |
|
qявн = jµ · св · (tпов – tв), |
(138) |
а количество водяного пара по уравнению: |
|
jп = jµ · (dпов – dв) · 10-3. |
(139) |
По структуре (136) и (138) одинаковы, соответственно уравнение (137) сходно с выражением (139). Таким образом получаем, что коэффициент теплообмена на поверхности определяется по зависимости:
α = jµ · cв, |
(140) |
а коэффициент влагообмена равен: |
|
βd = jµ. |
(141) |
Подставим выражение (141) в уравнение (140) и решим его относительно св, в результате получим зависимость (142):
α |
= c – число Льюиса. |
(142) |
|
||
|
в |
|
βd |
|
При динамическом равновесии молярных массообменов воздуха с паром отношение коэффициента теплообмена к коэффициенту массообмена является постоянной величиной, численно равной теплоёмкости воздуха (физического смысла не имеет).
Количество полной теплоты определяется по выражению: |
|
qп = jµ · (Iпов – Iв). |
(143) |
44
C учетом зависимости (149) получим уравнение Меркеля – при условии выполнения числа Льюиса полный тепловой поток можно определить через тепло- и массообменные характеристики:
qп = βd · (Iпов – Iв). |
(144) |
9. ОСНОВНЫЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ РАСЧЁТА ТЕПЛОМАССООБМЕНА
Количество удельной теплоты, поступившей с открытой поверхности жидкости ванны, не имеющей бортовых отсосов, определяется по зависимости:
= (5,71 + 4,06uв )×(tпов - tв ), при tж > tв . (145)
Если жидкость имеет температуру окружающего воздуха (холодные ванны), то на ее испарение с поверхности ванны, не имеющей бортовых отсосов, будет затрачиваться количество теплоты:
|
qисп.жидк. = (5,71 + 4,06uв )×(tв - tпов ), при tж = tв . |
(146) |
||
|
явн. |
|
||
Полное количество удельной теплоты равно сумме явной и скрытой теплоты: |
||||
|
qп = qявн + qскр, |
(147) |
||
|
qскр = jп × Iп tпов , |
(148) |
||
|
Iп tпов = r + сп ×tпов = 2500 +1,8tпов , |
(149) |
||
jп |
= 7, 4 ×(a + 0, 017υв ) ×( Рпов - Рв ) |
101, 325 |
, |
(150) |
|
||||
|
|
Рб |
|
где jп – интенсивность испарения воды на поверхности, кг/(ч·м2);
– энтальпия пара, кДж/кг, соответствующая температуре поверхности воды tпов, определяется по зависимости (149);
Рб – барометрическое давление, кПа; 101,325 – барометрическое давление при нормальных условиях, кПа;
а – фактор скорости движения воздуха над поверхностью за счёт гравитационных сил, зависящий от температуры поверхности воды tпов, (при tпов=30ºС фактор скорости а =0,022; при tпов=50ºС фактор скорости
а =0,033) определяется по справочной литературе [4].
45
10. ТЕПЛОМАССООБМЕН В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
Рассмотрим основные процессы, которые протекают в тепломассообменных аппаратах системы кондиционирования воздуха (рис. 7-а). На I-d- диаграмме процессы обработки воздуха изображаются отрезками [4, 11, 25, 26, 27].
Рис. 7-а. Изображение процессов обработки воздуха на I-d-диаграмме.
Рассмотрим на I-d-диаграмме следующие процессы:
1-2 – процесс охлаждения воздуха в поверхностном теплообменнике без массообмена;
1-3 – процесс охлаждения и осушения воздуха в поверхностном теплообменнике с температурой хладоносителя или хладагента несколько ниже темпе-
46
ратуры точки росы воздуха. Реально процесс идёт по ломанной линии 1-2-3, и 1-2-4, изображённых на рис.7-б ;
Рис. 7-б. Изображение реального направления процессов обработки воздуха.
47
1-4 – процесс охлаждения и осушения воздуха в поверхностном теплообменнике при температуре хладоносителя или хладагента ниже температуры точки росы воздуха. Реально процесс идёт по ломанной линии 1-2-4, изображённой на рис.68-б.
Направление луча процессов 1-2 –1-4 в поверхностном теплообменнике обеспечивается за счёт политропного коэффициента эффективности теплообмена в аппарате Еп и температуры хладагента или хладоносителя на входе в теплообменный аппарат tw1.
1-5 – процесс изоэнтальпийного охлаждения и увлажнения воздуха, определяется по адиабатному коэффициенту эффективности теплообмена Еа. Часто этот процесс называют адиабатным (адиабатическим) процессом охлаждения и увлажнения воздуха, так как изменение полной теплоты равно нулю. Точка 5 находится на φ = 90÷95%. Данный процесс осуществляется в холодный период года в кондиционерах и приточных камерах с увлажнительными секциями при выключенных холодильных установках. Приточные камеры в базовой комплектации не оборудуются холодильными установками, поэтому в приточных камерах с оросительной секцией данный процесс протекает зимой и летом.
1-6 – политропный процесс охлаждения и увлажнения воздуха. 1-7 – изотермическое увлажнение воздуха паром.
В оросительных камерах с форсуночными или сотовыми увлажнителями при непосредственном контакте воды с воздухом осуществляются все процес-
сы от 1-2 до 1-6.
Луч процесса в камерах непосредственного контактам воды с воздухом, также определяется по политропному коэффициенту эффективности теплообмена Еп и температуре воды на входе в оросительную камеру tw1.
При контакте воздуха с рециркулирующей водой, которая разбрызгивается в оросительной секции (насос забирает воду из поддона камеры и подаёт её в форсунки камеры рециркуляционно), он увлажняется и охлаждается. Рециркуляционная вода при контакте с воздухом принимает температуру мокрого термометра воздуха tw1 = tм.т., а при этой температуре вода для испарения забирает
48
явную теплоту из воздуха, трансформирует её в скрытую и с паром возвращает в воздух. Поэтому полная теплота воздуха остаётся постоянной. Такой процесс называется адиабатным (адиабатическим):
|
|
Qп = Qявн↓ + Qскр↑; |
(151) |
|||||
Qп |
1-2 = Gпр · (I1 – I2) = Gпр · св · (t1 – t2); |
(152) |
||||||
|
Qп |
1-3 = Gпр · (I1 – |
I3); |
(153) |
||||
|
Qп |
1-4 = Gпр · (I1 – |
I4); |
(154) |
||||
|
Qп |
1-5 = Gпр · (I1 – I5) = 0. |
(155) |
|||||
Количество воды Gw, кг/ч, поступившей в воздух, определяется по выра- |
||||||||
жению: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
= G × |
d5 - d1 |
. |
(156) |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
w |
пр |
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Количество воды в кг, приходящееся на 1 кг воздуха, рассчитывается как |
B = Gw – коэффициент орошения, кг/кг.
Gв
Как было показано в разделе 3 любой политропный процесс можно изобразить на I-d-диаграмме в виде суммы двух простых процессов. Например, если параметры воздуха изменились от точки 2 до точки 5 (рис. 7-а), то процесс 2-5 можно представить в виде суммы процессов 2-k без массообмена (d2-k =const), в котором происходит нагрев за счёт явной теплоты Qявн, и процесс k-5 (tk-5 =const), в котором происходит изотермическое увлажнение с участием скрытой теплоты Qскр, преобразованной из явной за счёт поступившего в воздух пара:
. |
Qявн |
2-k = Gпр · (Ik – I2) = Gпр · св · (tk – t2); |
(157) |
|
|
Qскр k-5 = Gпр · (I5 – Ik). |
(158) |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика (Теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). Учебник для вузов
– 2 изд. перераб. и доп.- М: Высшая школа. 1982. – 415 с., ил.
49
2. Богословский В.Н. Отопление и вентиляция: Учебник для вузов. В 2-х ч. Ч. 2. Вентиляция / В.Н. Богословский, В.И. Новожилов и др. / Под ред. В.Н. Богословского – М.: Стройиздат, 1976. – 439 с.
3. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3-х ч. Ч. 1, Отопление. (Справочник проектировщика) /В.Н.Богословский, Б.А. Крупнов, А.Н. Сканави и др., Под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. – 4- е изд. перераб.
идоп. – М.: Стройиздат, 1990. – 344 с.
4.Внутренние санитарно-технические устройства. В 3-х ч. Ч.3. Вентиляция
икондиционирование воздуха. (Справочник проектировщика). Кн.1. /В.Н. Богословский, А.И. Пирумов, В.Н. Посохин и др./Под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера – 4- е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1992. – 319 с.: ил.
5.Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. 3 Вентиляция и кондиционирование воздуха. (Справочник проектировщика). Кн.2. /Б.В.Баркалов, Н.Н. Павлов, С.С. Амирджанов и др.; Под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. – 4- е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1992 – 416 с.: ил.
6.ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны /Госстрой СССР. – М.:Стройиздат,1988. –47 с.
7.ГОСТ 12.2.043-80. Средства пылеулавливающие. Классификация. /Госстрой СССР. – М.:Стройиздат,1980. – 10 с.
8.ГОСТ Р 51251-99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка. Госстандарт России. – М. ИПК Издательство стандартов,1999. – 8 с.
9.Гримитлин, М.И. Распределение воздуха в помещениях. / М.И. Гримитлин. – С.Петербург,1994. – 316 с.
10.Дроздов В.Ф. Отопление и вентиляция: Учеб. пособие для вузов: В 2-х ч. Ч. 2. Вентиляция / В.Ф. Дроздов. – М.: Высшая школа, 1984. – 263 с.
11.Каменев П.Н. Отопление и вентиляция: Ч. 2. Вентиляция / П.Н. Каменев. – М.: Стройиздат, 1966. – 480 с.
12.Логачев, И.Н. Аэродинамические основы аспирации: Монография / И.Н. Логачев, К.И. Логачев. – Санкт-Петербург: Химиздат, 2005.- 659с.
13.АЗ-669 Рекомендации по выбору и расчету систем воздухораспределе-
ния Госстрой СССР.−М.: Стройиздат, 1986.−132 с.
14. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха / А.И. Пирумов.– М.: Стройиз-
дат, 1981. – 296 с.
15.СП 131.13330.2012. Строительная климатология /Минрегион России. – М.: Росстандарт,2012.− 58 с.
16.ГОСТ Р 51617-2000 Жилищно-коммунальные услуги. Общие технические условия /Госстандарт России.-М.: ГУП ЦПП,2000.-11 с.
50
17.СП 56.13330.2011 Производственные здания /Минрегион России.− М.: Госкомархитектура, 2011.− 52 с.
18.СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений.−М.: Информационно-издательский центр Минздрава России,1997.−20 с.
19.СП 60.13330.2012 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха /Минрегион России. – М.: Росстандарт, 2013.- 48 с.
20.ГОСТ 30494–2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. – М.: Стандартинформ, 2013. –12 с.
21.Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции: Учеб. пособие для вузов / В.Н. Талиев/ – М.: Стройиздат, 1985. – 208 с.
22.СН 245-71 Проектирование промышленных предприятий. [Текст]. –
–М.: Стройиздат, 1971. –93 с.
23.СП 118.13330.2012 Общественные здания и сооружения
/Минрегион России.− М.: Госкомархитектура, 2012.− 48 с.
24.Титов, В.П. Курсовое и дипломное проектирование по вентиляции гражданских и промышленных зданий /В.П. Титов, Э.В. Сазонов, Ю.С. Краснов, В.И. Новожилов/ – М.: Стройиздат, 1976. – 439 с.
25.Нестеренко, А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции
икондиционирования воздуха / А.В. Нестеренко. – М.: Высшая школа, 1971. –
459с.
26.Богословский, В.Н. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. / Под. Ред. В.Н. Богословского. – М.: Стройиздат, 1985. – 367 с.,ил.
27.Кочев, А.Г. Основы создания и поддержания микроклимата в промышленных, гражданских и уникальных зданиях. [Текст]: учебное пособие /А.Г. Кочев – Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т – Н.Новгород:
ННГАСУ, 2012. – 108 с.
28.СП 54.13330.2011 Здания жилые многоквартирные /Минрегион
России.− М.: Госкомархитектура, 2011.− 24 с.
29.СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 /Минрегион России.− М., 2012.− 96с.
30.СП 51.13330.2011 Защита от шума. Актуализированная редакция
СНиП 23-03-2003 /Минрегион России.− М., 2012.− 56с.
31. Сазонов, Э. В. Вентиляция общественных зданий: учеб. пос. /Э. В. Сазонов/ – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1991. – 188 с.