ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛО — И ВЛАГООБМЕНА ВОЗДУХА С ВОДОЙ В /—d-ДИАГРАММЕ

В целях увлажнения или осушки, а часто в целях охлаждения или нагрева воздуха его вводят в контакт с водой. Для этого его пропускают через камеру орошения, в которой разбрызгивается вода, или продува­ют через пористые слои либо оребренные поверхности, которые ороша­ются водой.

Обычно предполагают, что тонкий слой воздуха на поверхности во­ды полностью насыщен водяными парами, а его температура равна тем­пературе воды. Состояние воздуха в этом слое можно определить по температуре воды, считая его относительную влажность ф=100%. При таком предположении процесс тепло - и влагообмена воздуха с водой рассматривают как процесс смешения основного потока воздуха с тон­ким слоем насыщенного воздуха, контактирующим с водой. В процессе теплообмена температура воды несколько изменяется, поэтому для рас­чета берут некоторую промежуточную ее температуру. Параметры сме­си на прямой, соединяющей точку, соответствующую состоянию воздуха, с точкой, определенной температурой воды на линии ф=100%, зависят от площади поверхности контакта, его продолжительности, а также от параметров воздуха и воды.

В расчетах учитывают так называемый коэффициент орошения р,, равный количеству разбрызгиваемой воды, кг, приходящемуся на 1 кг воздуха, а также направление луча процесса и конструктивные особен­ности камеры. Обычно принимают, что точка смеси, определяющая па­раметры воздуха после орошения, устойчиво может находиться на линии Ф=90 ...95%, и из этого условия рассчитывают режим орошения.

Воздух, обмениваясь с водой теплом и влагой, претерпевает различ­ные изменения. Можно рассмотреть несколько характерных случаев из­менения состояния воздуха при контакте его с водой, имеющей разную, но неизменную во времени температуру.

Пусть начальному состоянию воздуха в / — d-диаграмме, представ­ленной на рис. III.11, соответствует точка А. При температуре воды (точка 1) будет происходить увлажнение и нагрев воздуха. Испарение воды осуществляется целиком за счет ее собственной энталь­пии. При (точка 2) воздух увлажняется, не изменяя своей тем­пературы. На испарение расходуется тепло воды При (точка 3) происходит увлажнение и некоторое охлаждение воздуха. Теп­ло на испарение поступает от воздуха и частично от воды. Если вода имеет температуру мокрого термометра (точка 4), происходит адиабатическое увлажнение воздуха. Тепло для испарения отнимается только от воздуха, но к нему же возвращается в виде энтальпии водяно- го пара. При ^рл<^вод<^ма (точка 5) воздух несколько увлажняется и заметно охлаждается. Тепло воздуха идет на испарение воды. При? вод=^Рл (точка 6) происходит охлаждение воздуха при неизменном влагосодержании (сухое охлаждение). При tB0^<.tvA (точка 7) воздух интенсивно охлаждается и осушается. Вода охлаждает воздух и отби­рает тепло, выделившееся при конденсации водяных паров на ее по­верхности.

Фактически процесс изменения состояния воздуха по мере его про­хождения через дождевое пространство камеры орошения идет в /—й?-диаграмме не по прямой, а по сложной линии. Если развитие этого процесса во времени разбить на конечные отрезки, то можно проследить его вероятный характер.

Рассмотрим случай, когда потоки воздуха и воды движутся парал­лельно (случай параллельного тока) й начальная температура воды ни­же температуры точки росы воздуха, поступающего в камеру орошения (рис. III. 12).

В первый расчетный интервал времени небольшая часть орошаемо­го воздуха (точка 1) войдет в контакт с поверхностью капель и приоб­ретет начальную температуру водьіті и ф= 100%. Эта часть воздуха сме­шается с остальной его массой, причем точка их смеси 2 будет находить­ся на прямой линии, соединяющей точку, соответствующую начальному состоянию воздуха 1, и точку на линии ф=100%, соответствующую на­чальной температуре воды х. В начале второго расчетного интервала в результате теплообмена с воздухом температура воды повысится до тг, а воздух изменит свои параметры до точки смеси 2. За второй интервал времени часть воздуха приобретет параметры т2 и ф=100%, и вновь образуется смесь воздуха, состояние которой определится точкой 3 во­да повысит свою температуру до Тз и т. д.

В начале процесса обмен явным и скрытым теплом между водой и воздухом будет протекать интенсивно за счет большого перепада тем­ператур. После того как температура воды превысит температуру точки росы осушаемого воздуха, интенсивность теплообмена резко уменьшит­ся: прекратится отдача скрытого тепла конденсации и по мере возраста­ния температуры воды начнутся ее испарение, увлажнение воздуха и пе­редача ему скрытого тепла парообразования. Воздух будет отдавать 3—425
явное тепло воде, но частично тепло будет возвращаться ему в виде эн­тальпии водяного пара. Изменение температуры воды и энтальпии воз­духа в результате замедлится, но температура воды будет продолжать повышаться. Энтальпия слоя воздуха на поверхности воды и энтальпия очередной смеси движущегося воздуха будут приближаться друг к дру­гу. В конце концов вода приобретет температуру мокрого термометра текущей смеси воздуха, энтальпия которой будет равна энтальпии воз­духа на контакте с водой. Начиная с этого момента процесс увлажнения воздуха становится адиабатическим: воздух будет продолжать пони­жать свою температуру (точка 5), не изменяя энтальпии, температура воды будет оставаться неизменной и равной температуре мокрого тер­мометра. На рис. III.12 точками 4, 5 и 6 показана последняя стадия из­менения состояния воздуха.

Подобные рассуждения остаются справедливыми и для условий, когда начальная температура воды выше температуры точки росы и ни­же температуры мокрого термометра воздуха. Ход этого процесса изме­нения состояния воздуха показан на рис. III. 13.

Несколько иначе развивается процесс при температуре воды выше температуры мокрого термометра воздуха, поступающего в камеру. Раз­ница состоит в том, что температура воды будет понижаться, стремясь достигнуть температуры мокрого термометра смеси воздуха некоторого текущего состояния. Развитие этого процесса показано на рис. III.14.

В случае противотока воздуха и воды воздух начального состояния входит в контакт с водой конечного состояния, поэтому построение про­цесса начинают с нахождения этой точки смеси. В остальном рассужде­ния и построения остаются такими же, как и рассмотренные для случая параллельного тока. На рис. III, 15 приведено построение процесса для случая противотока, когда начальная температура воды ниже темпера­туры точки росы воздуха, поступающего в камеру.

В практических расчетах задачу упрощают и считают, что изменение состояния воздуха, как уже было сказано, определяется прямой линией, соединяющей точку, соответствующую начальному состоянию воздуха, и некоторую промежуточную условную точку, соответствующую состоянию воды.

В расчете обычно нужно знать параметры воздуха после его кон­такта с водой и температуру воды, которая обеспечит заданное направ­ление луча процесса. Конечные параметры воздуха определяет точка пе­ресечения луча процесса (є) изменения состояния воздуха, характери­зуемого начальными параметрами / и d, с линией <р=90 ...95%. Температура воды (промежуточная, условная) определится точкой пе­ресечения этого луча с линией ф=100%. Точку пересечения легко опре­делить графическим построением в / — ^-диаграмме, как это показано на рис. III. 16. Соответствующие ей параметры могут быть также рассчи­таны аналитически по приближенным формулам.

Приближенные формулы для аналитического расчета определяют­ся совместным решением следующей системы уравнений:

W

ЈL— d

Ф

Ia = C + Ddt

Ф ~ * —Ф •

В данной системе (а) есть уравнение луча процесса, а (б) —уравнение отрезка прямой, аппроксимирующей соответствующую линию постоян­ной относительной влажности в определенном диапазоне температур. Подставляя значение d из уравнения (б) в уравнение (а), получаем формулу для определения энтальпии в точке пересечения:

D в

(III. 38)

L—D

По найденному значению / определяем из формулы (б) держание в точке пересечения:

(III. 39)

Для определения температуры t, соответствующей точке пересече­ния луча процесса и линии ф=сопз1, запишем уравнение отрезков пря­мых, аппроксимирующих участки линии ф = сопк в координатах / и t:

О*

I9 = A + Bt9,

/ф-Л В

Числовые^значения коэффициентов, входящих в формулы (II 1.38) — (111.40), приведены в табл. III. 1.

Таблица III.1

Значения коэффициентов А, В, С, D

Ф. %

При /ф от 0 до 10° С

9,42(2,25) 9,25(2,21) 8,37(2) 1,97(0 47) 1,97(0,47) 1,88(0,45) —9,46(—2,26) —9,67(—2,31) -10,55(—2,52) 5,11(1,22) 5,32(1,27) 5,53(1,32)

При от 10 до 20° С

1,26(0,3) 0,84(0,2) 0,84(0,2) 2,85(0,68) 2,27(0,65) 2,64(0,63)

—0,63(—0,15) —0,50(—0,12) 0,08(—0,02)

3,95(0,94) 4,02(0,96) 4,02(0,96)

ПриЛу от 20 до 80° С

—28,05(—6,7) —27,22(—6,5) —26,38(—6,3) 4,27(1,02) 4 10(0,98) 3,98(0,95) 7,41(1,77) 6,95(1,66) 6,47(1,61) 3,39(0,81) 3,47(0,83) 3,52(0,84)

Примечание. Без скобок даны значения коэффициентов при применении единиц систе­мы СИ, в скобках — системы МКГСС.

Для расчетов всех процессов изменения тепловлажностного состоя­ния воздуха удобно пользоваться графическим методом построения в I — d-диаграмме. Однако в некоторых случаях (анализ вариантов, рас­чет на ЭВМ) необходимо пользоваться приближенными формулами, при­веденными в конце каждого параграфа данной главы. Погрешность вы­числений по приближенным формулам не выходит за пределы 3%, что вполне допустимо в инженерных расчетах.