автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Моделирование тепловлажностной обработки воздуха и разработка форсунки эжекционного типа для систем кондиционирования воздуха

ВВЕДЕНИЕ.

1. Аналитический обзор литературных источников. Цели и задачи исследований.

1.1. Процессы тепло- и массообмена между воздухом и водой.

1.2. Контактные аппараты для тепловлажностной обработки воздуха. Устройство, принцип работы, режимные характеристики.

1.3. Математическая модель тепловлажностной обработки воздуха в форсуночной камере.

1.4. Форсунки для форсуночных камер.

1.5. Струйные аппараты.

1.6. Цели и задачи исследований.

2. Методика проведения научных исследований.

2.1. Измерение температурно-влажностных параметров воздуха.

2.2. Определение средней скорости и расхода воздуха в воздуховоде.^

2.3. Определение расхода воды в форсуночной камере.

2.4. Математический метод планирования экспериментов.

3.Теоретические основы работы водовоздушных эжекторов.

3.1. Основные расчетные уравнения.

3.2. Определение геометрических параметров.

4.Экспериментальные исследования.

4.1. Разработка модели процесса эжекции для форсунки эжекционного типа.

4.2. Устройство и принцип работы форсунки эжекционного I типа.

4.2.1. Исследования по выбору оптимальной конструкции форсунки.

4.2.2. Анализ результатов экспериментальных исследований.

4.3. Лабораторная установка форсуночной камеры.

4.4. Оценка эффективности работы форсуночной камеры.

4.4.1. Оценка эффективности форсунок ФЭТ при адиабатном увлажнении воздуха.

4.4.2. Средства измерений.

4.4.3. Проведение эксперимента.

4.4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований.

4.4.5. Определение производительности форсунки.

4.5. Определение аэродинамического сопротивления форсуночной камеры с форсунками эжекционного типа.

4.6. Методика расчета форсуночной камеры с применением форсунок эжекционного типа.

4.7. Расчет экономической эффективности от внедрения форсунки эжекционного типа в СКВ.

Кондиционирование воздуха охватывает комплекс мероприятий по обеспечению требуемого состояния воздушной среды в помещениях. Круг задач, решаемых при этом, может быть весьма разнообразным.

В зависимости от параметров внутреннего воздуха проводится соответствующая тепловлажностная обработка воздуха. Она может включать следующие процессы: нагрев, охлаждение, увлажнение или осушение воздуха.

В центральных системах кондиционирования воздуха (СКВ) основным узлом для осуществления указанных процессов является форсуночная камера. В ней при помощи механических форсунок распыливается вода в потоке воздуха. Количество форсунок может достигать нескольких сотен штук, что ведет к повышению металлоемкости и большим габаритным размерам камеры. Это свидетельствует о том, что применяемые типы форсунок не обладают достаточно высоким эффектом образования межфазной поверхности, то есть не обеспечивают интенсивный тепломассообмен.

Необходимость совершенствования систем кондиционирования воздуха (СКВ) определяется также задачами дальнейшей индустриализации строительства. Необходима разработка совершенных и компактных СКВ, обеспечивающих рациональное использование площадей, объемов зданий и энергоресурсов.

Для решения указанных задач необходим поиск и разработка новых конструкций для распыления жидких сред в воздухе. Технической базой для создания эффективных форсунок для тепловлажностной обработки воздуха могут служить струйные аппараты, в частности, работающие по принципу водовоздушных эжекторов. Они характеризуются высокой интенсивностью образования межфазной поверхности.

Создание форсунки эжекционного типа для тепловлажностной обработки воздуха в центральных СКВ может устранить указанные недостатки. Данная проблема является актуальной задачей научных исследований.

Целью работы является моделирование тепловлажностной обработки воздуха и разработка форсунки эжекционного типа в системах кондиционирования воздуха для их интенсификации.

Для достижения поставленной цели решался комплекс взаимосвязанных задач, основными из которых являются:

- разработка математической модели, описывающей работу эжекционной форсунки на основе принципа действия водо-воздушного эжектора;

- разработка форсунки эжекционного типа (ФЭТ) для распыления жидких сред в воздушном потоке;

- моделирование и экспериментальное исследование процессов тепловлажностной обработки воздуха при использовании форсунки эжекционного типа;

- оценка экономической эффективности работы форсуночной камеры с форсунками эжекционного типа;

Научная новизна работы заключается в интенсификации процессов тепловлажностной обработки воздуха в форсуночной камере, в зависимости от конструктивных параметров форсунки эжекционного типа. Разработана модель процесса тепловлажностной обработки воздуха в форсуночной камере, оборудованной форсунками эжекционного типа, предложены аналитические зависимости, описывающие этот процесс.

Практическая ценность и внедрение результатов состоит в разработке форсунки эжекционного типа, позволяющая увеличить время

Контакта между воздухом и водой при тепловлажностной обработке воздуха и интенсифицировать тепломассоперенос в контактных аппаратах. Полученные математические модели, аналитические и эмпирические зависимости являются надежной базой для разработки форсуночных камер, оборудованных данными форсунками.

Предложена инженерная методика расчета форсуночных камер с форсунками ФЭТ.

Результаты диссертационной работы апробированы на практике в процессе промышленных испытаний в ЗАО «Промвентиляция» г.Пензы.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель, описывающая процесс эжекции для эжекционной форсунки на основе работы водовоздушных эжекторов;

2. Конструкция форсунки ФЭТ;

3. Эмпирические зависимости описывающие режимные параметры ФЭТ и форсуночной камеры.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах. Статья в центральном журнале «Известия вузов» находится в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Разработана математическая модель эжекции газовой фазы водной струей при работе эжекционной форсунки, получено характеристическое уравнение для определения геометрических параметров эжекторного элемента форсунки в зависимости от объемного коэффициента инжекции.

Разработана форсунка эжекционного типа, реализующая работу водо-воздушного эжектора, для тепловлажностной обработки воздуха в ОКФ центральных кондиционеров, позволяющая интенсифицировать процесс за счет увеличения продолжительности контакта между воздухом и водой.

Определены оптимальные технологические и конструктивные параметры форсунки эжекционного типа на основе экспериментальных исследований при работе форсуночной камеры:

АРф = 200.250к/7я; dc = 4. 6 мм; £г = 10мм

Предложена математическая модель для описания процесса тепловлажностной обработки воздуха в форсуночной камере, оборудованной форсунками эжекционного типа.

Получены эмпирические уравнения для определения производительности форсунки эжекционного типа и аэродинамического сопротивления форсуночной камеры. Предложена инженерная методика расчета форсуночной камеры, оборудованной форсунками ФЭТ.

Проведены опытно-промышленные испытания кондиционера КТЦ-31,5 с форсунками ФЭТ в ЗАО «Промвентиляция». Они показали достаточно высокую эффективность форсунки и ее устойчивую работу при малых значениях коэффициента орошения (В=0,1.1,0). Это позволяет сократить расход воды, количество форсунок, а также габаритные размеры форсуночной камеры. Эксплуатационные затраты на обслуживание кондиционера сокращены в 2 раза.

1. Аверкин А.Г., Панов Е.А., Федин С.В., Орлова Н.А. Оценка влияния технологических и конструктивных параметров на эффективность работы оросительной форсуночной камеры. Материалы XXIX научно-технической конференции, ПГАСА, Пенза ,1997, с.8.

2. Аверкин А.Г., Орлова Н.А. Методика расчета форсуночной камеры, оснащенной форсунками эжекционного типа. Материалы XXX Всероссийской научно-технической конференции, Пензенская ГАСА, Пенза, 1999, с.7.

3. Аверкин А.Г., Орлова Н.А. К вопросу выбора оптимальной конструкции форсунки эжекционного типа. Сб.Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. Международная научно-практический семинар, ПГАСА, Пенза, 2000, с.56.

4. Аверкин А.Г., Орлова Н.А., Панов Е.Н., Федин С.В. Форсунка эжекционного типа. Информационный листок №49-00, ЦНТИ, Пенза, 2000, 4с.

5. Аверкин А.Г., Орлова Н.А. Форсунки для тепломассообменныхпроцессов. Сб.Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно- коммунальном комплексах. Международный научно-технический семинар, ПГАСА, Пенза, 2001, с.31.

6. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.-М.: Наука, 1976, 219 с.

7. Альтшуль А. Д. и др. Гидравлика и аэродинамика:Учеб.для вузов/А.Д.Альтшуль, А.С.Животовский, Л.П.Иванов.-М.:Стройиздат, 1987,414с.

8. Ананьев В.А. Адаптация кондиционеров DeLonghi к низким температурам наружного воздуха. Мир климата, 1999, 376 с.

9. Ананьев В.А и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. Учебное пособие.-М.:"Евроклимат", изд-во "Арина", 2000, 416 с.

10. Андропов И.В. Измерение расхода жидкостей и воздуха. -М.:Энергоиздат, 1981, 88 с.

11. Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях.-М.:Стройиздат, 1982,318с.

12. Берлинер М.А. Измерение влажности.-М.: Энергия, 1973, 400с.

13. Богословский В.Н., Кокорин О .Я., Петров JI.B. Кондиционированиевоздуха и холодоснабжение.-М.:Стройиздат, 1985, 367с.

14. Богословский В.Н., Новожилов В.И., Симаков Б.Д., Титов В.П. Отопление систем отопления, вентиляция и кондиционирование воздуха.-М.:Стройиздат, 1983, 320 с.

15. Боровков B.C., Майрановский Ф.Г. Аэрогидродинамика систем вентиляции и кондиционирования воздуха.-М.:Стройиздат, 1978, 194 с.

16. Бражников A.M., Малова Н.Д. Расчеты систем кондиционированиявоздуха на предприятиях мясной и молочной промышленности: Учеб.пособие для вузов:-М.:Агропромиздат, 1985, 231с.

17. Бялый Б.И., Степанов А.В, Динцин В.А. Расчет политропических процессов обработок воздуха в камерах орошения. Труды ВНИИ «Кондиционер», вып.6. Харьков, «Кондиционеростроение», 1977, 32-37с.

18. Бутаков С.Е. Аэродинамика систем промышленной вентиляции.-М.,1. Профиздат, 1949, 270с.

19. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов ижидкостей.-М.: Физматгиз, 1963, 708с.

20. Витман JI.A., Кацнельсон Б.Д., Полеев И.И. Распыление жидкости форсунками.М.-Jl., Гидроэнергоиздат, 1962, 306с.

21. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч.З. Вентиляция и кондиционирование воздуха. 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, 416с.

22. Вознесенский В.А. Статические методы планирования экспериментав технико-экономических исследованиях.-М. '.Финансы и статистика, 1981,263с.

23. Воронец Д.Г., Козич Д.Е. Влажный воздух, термодинамические свойства и применение.-М.: Энергоатомиздат, 1984, 198с.

24. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике.-М.:Наука, 1964, 870с.

25. Вычислительная математика для инженеров-экологов: Методическое пособие / А.Н.Супрун, В.В.Найденко,М.:Изд-во АСВ, 1996, 391с.

26. Геллер З.И., Ашихмин В.И., Шевченко Н.В. Использование располагаемого напора в центробежных форсунках. «Теплоэнергетика», 1964, №4, 68 с.

27. Геллер З.И. и Морошкин М.Я. Гидравлические характеристики центробежных форсунок. «Известия вузов. Энергетика», 1960, №3, 72с.

28. Голубков Б.Н. и др. Проектирование и эксплуатация установок кондиционирования воздуха и отопления: Учебное пособие для вузов.-М.:Энергоатомиздат, 1988, 190с.

29. ГОСТ 12.3.018-79.Системы вентиляции. Методы аэродинамических испытаний.-М.:Гос.ком.СССР по стандартам, 1987, 50с.

30. Гусев В.М. и др. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: Учебник для вузов Л.:Стройиздат.Ленинградское отделение, 1981, 343с.

31. Дзелзитис Э.Э. Управление системами кондиционирования микроклимата: Справ. Пособие-М.:Стройиздат, 1990, 176с.

32. Дмитриева Л.С., Кузьмина Л.В., Мошкарнев Л.М. Планирование эксперимента в вентиляции и кондиционировании воздуха.-Иркутск: Изд-во Иркут. Ун-та, 1984, 210с.

33. Дубинская Ф.Е., Лебедюк Г.К. Скрубберы Вентури. Выбор, расчет,применение.-М.: ЦИНТИХИМнефтемаш, 1977, 60с.

34. Журавлев Б.А. и др. Наладка и регулирование систем вентиляции икондиционирования воздуха: Справ. Пособие. Стройиздат, 1980, 448с.

35. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин.-Л.:Наука, 1985, 112с.

36. Зусманович Л.М. Оросительные камеры установок исскуственного микроклимата.-М. .-Машиностроение, 1967, 110с.

37. Калинушкин М.П. Насосы и вентиляторы: Учеб.пособие для вузов по спец. "Теплогазоснаюжение и вентиляция"; 6-е изд., перераб. И доп.-М.: Высш.шк., 1987,176с.

38. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы в строительстве.-М.: Стройиздат, 1970,

39. Карпис Е.Е. Повышение эффективности работы систем кондиционирования воздуха.-М.: Стройиздат, 1977, 192с.

40. Ковалевский Ю.В. Форсунка с регулируемым расходом жидкости.-Промышленная и санитарная очистка газов, 1976, №4, 41с.

41. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха.-М. Машиностроение, 1978, 264с.

42. Кокорин О.Я., Ставицкий Л.И., Кронфельд Я.Г. Кондиционированиевоздуха в многоэтажных зданиях.-М.: Стройиздат, 1981, 184с.

43. Кондиционеры. Каталог-справочник.-М.:Изд.ЦНИИТЭСтроймаша, 1981,320с.

44. Королева Т.И. Экономическое обоснование оптимизации тепловогорежима здания: Учеб. Пособие.-М.:АСВ, 2001, 156с.

45. Костырко К., Околович-Грабовска Б. Измерение и регулирование влажности в помещениях /Сокр.пер.с пол. М.Л.Мозгалевой; Под ред. В.М.Рубчинского.-М.; Стройиздат, 1982, 211с.

46. Краткий справочник. Наладка и эксплуатация систем вентиляции икондиционирования воздуха. /Под ред. П.М.Внина и др. -Киев.:Будивельник, 1984, 283с.

47. Крум Д.Р. Кондиционирование воздуха и вентиляция зданий /Пер. Сангл. Е.Е.Карписа.-М.:Стройиздат, 1980, 399с.

48. Лебедюк Г.К., Ковалевский Ю.В. Расчет форсунок с плоским факелом распыла.-Промышленная и санитарная очистка газов, 1977,№2, с.З.

49. Ленник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений.-М.: Физматгиз, 1961, 524с.

50. Marshall W. Atomization and spray drying. Chemical Engineering Progress Monography Series, No.2, 1954, 122 c.

51. Математическая теория планирования эксперимента. /Под ред. Ермакова С.М.-М.:Наука, 1983, 274 с.

52. Меклер В.Я., Овчинников П.Я. Промышленная вентиляция и кондиционирование воздуха.-М.:Стройиздат, 1978, 312с.

53. Меклер В.Я. и др. Вентиляция и кондиционирование воздуха на машиностроительных заводах: Справочник/.-М. Машиностроение, 1980, 335с.

54. Nagengast В., The 1920s: The First Realization of Public Air-conditioning,1. ASHRAE, 1993,62 c.

55. Наладка и эксплуатация систем вентиляции и кондиционирования воздуха/Краткий справочник.-Киев:Будивельник, 1984,296с.

56. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статические методы планирования экстремальных экспериментов.-М.:Наука, 1995, 338с.

57. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача, 3-е испр. и доп.изд.-М.:Высш.шк., 1980, 197с.

58. Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха.-М.:Высшая школа, 1971, 460с.

59. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена.3-е изд., перераб. и доп.-М.:Энергия, 1979, 319с.

60. Орлова Н.А. Определение производительности форсунки эжекционного типа. Сб.Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. III Международная научно-практическая конференция, ПГАСА, Пенза, 2002, с.52.

61. Патент на изобретение №2135892. Форсунка для распыления жидкости в газовой среде /Авт.Аверкин А.Г., Панов Е.А., Федин С.В., Орлова Н.А., 1999, Юс.

62. Пекер Я.Д., Мардер Е.Я. Справочник по выбору оборудования для кондиционирования воздуха- 2-е изд., перераб. и доп.-Киев:Будивельник, 1990, 224с.

63. Пен Р.З., Менчер Э.М. Статические методы в целлюлозно-бумажномпроизводстве.-М.: изд-во «Лесная промышленность», 1973, 120 с.

64. Поляков А.А., Канеев В.А. Тепломассообменные аппараты в инженерном оборудовании зданий и сооружений.-М.:Стройиздат, 1989,196с.

65. Померанцев А.А. Физические начала тепломассообмена и газовой динамики.М.:Энергия, 1977, 357с.

66. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химическойит нефте-химической технологии.-М.: Химия, 1987, 496 с.

67. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами.-М.:Изд-во стандартов, 1982, 178с.

68. Расчет и проектирование устройств гидравлической струйной техники /В.П.Бочаров, В.Б.Струтинский, В.Н.Бодах, П.П.Таможний.-КиевгТехника, 1987, 272с.

69. Рекомендации по расчету установок кондиционирования воздуха ивентиляции с управляемыми процессами адиабатной обработки воздуха /Центр.н.-и. и проект.-эксперим.инс-т. инж.оборуд.-М.:Стройиздат,1985, 187с.

70. Руководящий материал по центральным кондиционерам и кондиционерам теплоутилизаторам КТЦЗ.-Ч. 1.-Харьков: ВНИИкондиционер, 1988, 210с.

71. Руководящий материал по центральным кондиционерам. Методические материалы по расчету и выбору оборудования центральных кондиционеров КТЦЗ. 4.2.-Харьков:ВНИИкондиционер, 1989, 60с.

72. Рымкевич А.А., Халамайзер М.Б. Управление системами кондиционирования воздуха.-М.: Машиностроение, 1977, 164с.

73. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. 3-е изд., перераб.

74. М.: Энергоатомиздат, 1989, 352с.

75. Сорокин Н.С. Вентиляция, отопление и кондиционирование воздухана текстильных предприятиях. Изд-е, перераб. И доп. Учебник.М.; "Легкая индустрия", 1974, 328с.

76. Сотников А.Г. Системы кондиционирования воздуха с количественным регулированием.-Л., Стройиздат, 1976-309с.

77. Справочник по пыле- и золоулавливанию /Под ред.Русанова А.А.-М.: Энергоатомиздат, 1983-312с.

78. Справочник по теплообменникам:/пер.с англ.; под ред. Б.С.Петухова,

79. В.К.Шикова.-М.: Энергоатомиздат, 1987, 412с.

80. Стефанов Е.В., Бялый Б.И., Динцин В.А. Исследование процессов тепло- и массообмена в камерах орошения центральных кондиционеров.-В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха (Межвузовский научно-технический сб.Рижского политехн.ин-та), 1973, №6, 190с.

81. Стефанов Е.В., Коркин В.Д. Особенности тепло- и массообмена в оросительных камерах кондиционирования воздуха.-Л.: 1969, 35с.

82. Stoecker W. Design of Thermal Systems. N.Y. Mc Graw-Hill Book Company, 1971,210 c.

83. Талаквадзе В.В. Теория и расчет центробежной форсунки.«Теплоэнергетика», №2, 67с.

84. Тарабанов М.Г., Видин Ю.В., Бойков Г.П. Тепло- и массоперенос вкамерах орошения кондиционеров с форсунками распыления. Учебное пособие. Красноярский политехнический институт, 1974, 210с.

85. Тепло- и массообмен, теплотехнический эксперимент /Под ред. В. А.Григорьева.-М.:Энергоиздат, 1982,512с.

86. Тупиченков А.А. и др. Счетчики жидкости /А.А.Тупиченков, С.А.Абдурашитов, Э.С.Мануков.-М.:Изд-во Стандартов, 1980, 151с.

87. Турк В.И., Минаев А.В., Карелин В.Я. Насосы и насосные станции.

88. УонгХ. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров.

89. Пер. с англ. Справочник.-М.: Атомиздат, 1979, 262с.

90. Хавкин Ю.И.Центробежные форсунки .Л. .-Машиностроение, 1976, 168с.

91. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления расхода,количества и уровня жидкости газа и пара.-М.:Изд-во стандартов, 1990, 287 с.

92. Chen Nsu-Fang, Davis J. Disintegration of a turbulent water jet. Journal Hydraulics Division Proceedings American Society of Civil Engineers, V.90, No.l, Pt.l, 1964, 76 c.

93. Штокман E.A., Новгородский E.E. Вентиляция и кондиционированиевоздуха помещений в районах с тропическим климатом: Учеб.пособие для вузов.-М.: Стройиздат, 1991, 255с.

94. Штокман Е.А. и др. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности. Ростов-на-Дону: Новая книга, 1997,432с.

95. Шурыгин А.П. Расчет форсунок для распыливания жидкостей.М. :Изд-во МЭИ, 1972, 82с.

96. ЮО.Эстернин Р.Н. и др. Теплотехнические измерения.-Л.:Н

97. Недра, 1981, 124с. Ю1.Юхно И.Ф., Солн И.В., Дрокин А.В. Расширение области применения камер орошения ОКС кондиционеров КТЦЗ при испарительном нагреве воздуха в зимний период. Кондиционирование/Тр.ВНИИкондиционера.-Харьков, 1987, 256с.

98. Weis M., Worsham С. Atomization in high velocity air-streams, American Rocket Sosiety Journal, V.16,No. 1-2,1961, 54c.

99. Wilcox R., Tate R. Liquid atomization in high intensity sound field. American Institute Chemical Engineering Journal, V.l 1,No. 1,1965, 71c.

100. СНиП IV-5-82, сборники No 18, 20. Отопление , вентиляция и кондиционирование воздуха.-М.: Стройиздат, 1982, 33 с.