Методика расчета камер орошения

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА КАМЕР ОРОШЕНИЯ

2.1. Эффективность тепломассообмена в контактных аппаратах зависит от конструктивных характеристик камер орошения, температурных и гидродинамических условий обработки воздуха.

Для расчета камер орошения и блоков тепломассообмена (далее камеры орошения) при адиабатных и политропных процессах обработки воздуха в диапозоне температур разбрызгиваемой воды 2°с £ t_ж.н. £ 30°с разработана методика (далее методика 1) , основными расчетными уравнениями которой

являются:

; (2. 1)

; (2. 2)

где

; (2. 3)

; (2. 4)

(2. 5)

2.1.1. Уравнения (2.1) и (2.2) представляют собой теплотехнические характеристики камер орошения, так как устанавливают взаимосвязь между начальными и конечными состояниями воздуха и воды при политропных режимах обработки.

Изменение энтальпии обрабатываемого воздуха в контактных аппаратах описывается уравнением (2.1). Как видно из этого выражения, конечное значение определяется величинами приведенного коэффициента энтальпийной эффективности Е_п и приведенного энтальпийного напора `Di_о. Величина Е_п представляет собой отношение изменения энтальпии обрабатываемого воздуха к начальному энтальпийному напору ( Di_о = i_в.нас. - i_в.н. ) при линейной при линейной аппроксимации кривой насыщенного воздуха j = 100%.

Нелинейность кривой насыщения и количественное влияние ее на величину изменения энтальпии обрабатываемого воздуха учитывается формой и структурой уравнения для приведенного энтальпийного напора `Di_о .

Изменение температуры воздуха по сухому термометру в контактных аппаратах описывается уравнением (2.2). Первое слагаемое уравнения определяется величиной коэффициента адиабатной эффективности и начальным температурным напором ( Dt _н = t _ж.н.- t _в.н. ) и характеризует протекание процессов тепломассопереноса при постоянной температуре поверхности контакта, равной первоначальной температуре поверхности воды

t _ж.н. .

В идеально протекающем адиабатном процессе (Di = 0) величина Е_аDt_н представляет собой изменение температуры воздуха в контактном аппарате. В политропном процессе, наряду с изменением термодинамических параметров воздуха, происходит изменение температуры воды (температуры поверхности контакта), что приводит к снижению темпа изменения температуры обрабатываемого воздуха. Именно это обстоятельство учитывается вторым слагаемым уравнения (2.2), величина которого зависит от величины энтальпийного напора `Di_о , конструктивных характеристик камеры орошения и гидродинамических условий обработки воздуха. Корректирующее значение второго слагаемого оказывается тем больше, чем в большей мере изменяется температура воды в контактном пространстве.

2.1.2. Зависимости (2.1), (2.2) справедливы в широком диапазоненачальных температур воды (2°с £ t _ж.н. £ 30°с), воздуха по мокрому термометру (-5°с £ t_м.в.н. £ 30°с) и в интервалах коэффициента орошения m = 1,6 для БТМЗ, m £ 2,5 для ОКФ-3 и m £ 3 для ОКС-3.

Для указанного интервала температур значения корректирующих коэффициентов a, b, в, а также величина i _с приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Коэффициенты a, b, в и величина i _с .

2.1.3. Величины коэффициентов Е_п и Е_а в формулах (2.1), (2.2), характеризующие эффективность обработки воздуха в камерах орошения, зависят лишь от конструктивных характеристик камер орошения и гидродинамических условий обработки воздуха. Между указанными коэффициентами существует функциональная взаимосвязь, которая в общем виде для камер орошения может быть представлена уравнением

(2. 6)

где

. (2. 7)

С достаточной для инженерных расчетов точностью величина может быть определена по аппроксимирующей зависимости

(2. 8)

Коэффициент аппроксимации А₁ , a₁ , С, входящие в зависимости (2.6), (2.7) и (2.8), для различных камер орошения кондиционеров КТЦ3 приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 - Коэффициенты А₁, a₁, С

2.2.Для расчета камер орошения при адиабатных и политропных процессах обработки воздуха в более широком интервале температур разбрызгиваемой воды (2°с £ t_ж.н. £ 50°с) и температур воздуха по мокрому термометру (-27°с* £ t_м.в.н. £ 30 °с) разработана методика 2. Согласно этой методике процесс тепловлажностной обработки рассматривается как результат смешения необработанной и идеально обработанной частей воздушного потока. Из такого представления вытекают предложенные в работе /1/ зависимости, полученные Б. В. Баркаловым из понятия об « идеальном процессе »

. (2. 9)

Здесь - температура, энтальпия и влагосодержание предельного состояния воздуха, графическое изображение которого на i-d –диаграмме, представляющее точку пересечения луча процесса обработки воздуха в камере с кривой насыщения j = 100 %, показано на рисунке.

Из этого же представления следует, что коэффициент Е не зависит от начальных параметров теплообменивающихся сред и, следовательно, он должен быть равен адиабатному коэффициенту эффективности Е .

Вводя дополнительно также не зависящий от начальных параметров температурный критерий Q (правомерность этого обстоятельства доказана в работах /25/, /26/), оплучим основную систему уравнений методики 2 для расчета камер орошения:

(2. 10)

, (2. 11)

. (2. 12)

Q определяется зависимостью

, (2. 13)

где коэффициенты Е_п и Е_а характеризуются зависимостями (2.6) – (2.8) коэффициент в принимается по табл.2.1.

Методики 1 и 2 расчета хорошо согласуются друг с другом в диапазоне применимости первой из них (2°с £ t _ж.н. £ 30°с; -5°с £ t _м.в.н. £ 30°с), что позволяет в этом диапазоне производить расчеты камер орошения по любой из них, исходя из соображений простоты процедуры вычислений.

*-27°c-минимально допустимая температура холодного воздуха по мокрому термометру при испарительном нагреве (обработке его теплой водой) в камерах орошения ОКС3. Указанная температура определена по результатам исследований ВНИИкондиционера, показывающих, что при t ³ -26°c в камерах орошения ОКС3 практически не образуется иней и лед.

В камерах орошения ОКФ3 процесс испарительного нагрева может происходить в тех случаях, когда температура воздуха на входе в камеру орошения выше 0°с.

2.3. Приведенные зависимости (2.1), (2.2), (2.10)-(2.12) справедливы для всех разновидностей адиабатных и политропных процессовобработки воздуха в камерах орошения, включая испарительный нагрев и процессы с переменным, регулируемым вручную или автоматически расходом разбрызгиваемой воды.

Процессы с переменным расходом воды в ряде работ называются «процессами с неполным увлажнением или недоувлажнением», «управляемыми процессами». Сущность процессов с переменным расходом воды в камерах орошения в том, что при изменении расхода разбрызгиваемой воды достигается переменная поверхность теплообмена между водой и обрабатываемым воздухом. Указанное позволяет в одной и той же установке обеспечивать различные заданные параметрывоздуха после камеры орошения. Применение процессов с переменным расходом воды позволяет откпзаться от байпаса камер, а также в ряде случаев (если не требуется поддержание постоянной относительной влажности) от воздухонагревателя 2-го подогрева.

2.4. Камеры орошения кондиционеров КТЦ3 могут использоваться при давлении воды перед форсунками:

от 20 кПа(0,2 кгс/см²) до 300 кПа(3,0 кгс/см²) – в ОКФ-3 и БТМ-3;

от 5 кПА(0,05кгс/см²) до 250кПА(2,5 кгс/см²) – в ОКС-3.

При давлении , ниже указанного, форсунки работают не устойчиво.

Для повышения давления перед форсунками ЭШФ 7/10 в камерах ОКФ-3 при небольших расходах разбрызгиваемой воды, особенно в режимах с переменным ее расходом, целесообразна подача воды в один ряд стояков. Подачей воды в стояки возможно управлять раздельно по каждому ряду или последовательно, вручную или автоматически.

Каждая камера в связи с различной плотностью установки форсунок и реальным расходом воздуха характеризуется разными минимально допустимыми значениями коэффициента орошения m_мин.

При расчетных значениях коэффициента орошения m_р меньше 0,7 для камер ОКФ-3, БТМ-3 и 0,6 для камер ОКС-3 необходимо сравнивать их с m_мин. Если m_р > m_мин , принятая камера будет работать в устойчивом режиме. Если m_р < m_мин ,принятая камера в расчетном режиме будет работать неустойчиво и не обеспечит заданные параметры обрабатываемого воздуха. В этом случае следует уменьшить количество подключенных форсунок (изменив исполнение или рядность стояков) или тип камеры.

Величина m_мин определяется по формуле

, (2. 14)

где q _ф.мин = 460кг/ч для форсунок ЭШФ 7/10,

q _ф.мин = 870 кг/ч для форсунок УЦ14-10/15,

n- количество работающих форсунок в камере орошения, шт.

Количество форсунок по рядам для каждого исполнения камер ОКФ-3 (табл.2.4), ОКС-3 и БТМ-3 приведено в табл. 2.4 – 2.6.

Расходные характеристики форсунок q_ф выражаются зависимостями:

для форсунок ЭШФ 7/10

, (2. 15)

для форсунок УЦ14 10/15

, (2. 16)

где Z = 1 при DP_ф, кПа в си и Z =98,1 при кгс/см² в системе МКГСС.

Зависимости расхода разбрызгиваемой воды от давления воды перед форсунками q_ф(DР_ф) приведены на рис. 1.2 приложения 1.

2.5. При теплотехническом расчете камер орошения встречаются два вида задач – прямые и обратные.

Прямая задача – определение расхода и начальной температуры орошающей воды при заданных расходах, начальных и конечных параметрах обрабатываемого воздуха.

Обратная задача - прочие варианты расчетов, в частности, определение конечных параметров воздуха при заданных значениях начальных параметров и расходов воздуха и воды.

Расчеты первого типа выполняют с целью подбора камер орошения, как правило, при проектировании систем; расчеты второго типа - с целью выполнения проверочных расчетов при наладке и эксплуатации систем.

Целесообразность применения каждой из методик зависит от типа решаемой задачи и заданных условий (режима обработки воздуха, уровня начальных параметров воздуха и распыляемой воды).

Например, для расчета прямой задачи в камере орошения при политропном режиме и 2°с £ t _ж.н. £ 30°с целесообразнее использовать методику 2, поскольку методика 1 в ряде случаев потребует повторных расчетов с целью последовательных приближений.

Решение обратной задачи при указанных условиях получается боле6е простым по методике 1.

Рекомендации по применению методик в зависимости от заданных условий, а также номера разделов с описанием последовательности расчета приведены в табл. 2. 7.

Таблица 2.3 Процессы обработки воздуха.

Таблица 2. 4 Количество форсунок в камере орошения ОКФ3.

Таблица 2. 5 Количество форсунок в блоке тепломассообмена БТМ2-3.

Таблица 2. 6 Количество форсунок в камере орошения ОКС-3.

Таблица 2. 7 Рекомендации по применению методик расчета.

3.ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕР ОРОШЕНИЯ.

3. 1. В приложении 1 приведены гидравлические характеристики камер орошения в виде номограмм для зависимостей DР_ж(G_ж):

на рис. 3. 1 - для двухрядных камер орошения ОКФ-3;

на рис. 3. 2 - для однорядных противоточных камер орошения ОКФ-3 исполнения 1;

на рис. 3. 3 - для однорядных прямоточных камер орошения ОКФ-3 исполнения 1 и 2 и блоков тепломассообмена БТМ 2.1-3, БТМ 2.2-3;

на рис. 3. 4 - для камер орошения ОКС 1-3 и ОКС 2-3.

3. 2. На оси абсцисс номограмм отложены значения избыточного давления на входе в коллектор камеры орошения DР_ж*, на оси ординат - расход распыляемой воды G_ж.

Кривые G_ж(DР_ж) построены в зависимости то типоразмера и конструктивного исполнения камер орошения.

3. 3. Величины Р_ж учитывают потери давления по воде в форсунках, коллекторах и стояках камер орошения. При подборе насоса следует учитывать потери давления в сети и на подъем воды до коллектора, а для кондиционеров КТЦ3-125 - КТЦ3-250 - только до нижнего коллектора.

3. 4. Зависимости G_ж(DР_ж), приведены на рис. З. 1.- 3. 4. Приложения 1, получены с использованием расходных характеристик форсунок по формулам (2. 15), (2. 16).

3. 5. Для определения потерь давления по воде на ординате номограммы откладывается значение расхода распыляемой воды, проводится горизонтальная линия до пересечения с кривой G_ж(DР_ж), соответствующей заданному типоразмеру и конструктивному исполнению камеры орошения. Абсцисса точки пересечения определяет значение требуемого избыточного давления DР_ж перед коллектором, обеспечивающего потери давления по воде в системе орошения.

----------------------------------------------------------------------------------------------

*Для камер орошения ОКФ КТЦ3-125 - КТЦ3-250 - избыточное давление перед нижним коллектором.

4. РАСЧЕТ КАМЕР ОРОШЕНИЯ.

4. 1. Расчет камеры орошения при политропном режиме обработки воздуха (2°с £ t_ж.н. £ 30°с; -5°с £ t_м.в.н. £ 30°с).

Прямая задача. Расчет выполняется по методике 2.

4. 1. 1. На i-d-диаграмме изображается луч процесса обработки воздуха в камере орошения, для чего через точки с координатами заданных начальных и конечных параметров воздуха проводится прямая до пересечения с кривой насыщения (j = 100%). Точка пересечения соответствует состоянию части воздушного потока с параметрами .

4. 1. 2. Вычисляется коэффициент адиабатной эффективности Е_а по формуле

. (4. 1)

4. 1. 3. Находится коэффициент орошения m и коэффициент энтальпийной эффективности Е_п для принятого типоразмера исполнения камеры орошения по графикам на рис. 2. 3 -2. 7 приложения 1.

На оси ординат откладывается значение Е_а и проводится прямая, параллельная оси абсцисс, до пересечения с кривой Е_а(m), соответствующей выбранному типоразмеру и исполнению камеры. Абсцисса точки пересечения определяет значение m . Из точки пересечения на кривой Е_а(m) проводится вертикальная линия до пересечения с кривой Е_п(m), также соответствующей выбранной камере. Ордината точки пересечения определяет значение Е_п.

4. 1. 4. Вычисляется относительный перепад температур воздуха по фомуле (2. 13).

4. 1. 5. Вычисляется начальная температура воды t_ж.н. по формуле

. (4. 2)

4. 1. 6. Определяется конечная температура воды t_ж.к. по формуле

. (4. 3)

4. 1. 7. Определяется расход разбрызгиваемой воды G_ж по формуле

. (4. 4)

4. 1. 8. Находятся потери давления в камере орошения по воде DР_ж по графикам рис. 3. 1 -3. 4 приложения 1.

4. 2. Расчет камеры орошения при политропном режиме обработки воздуха (2°с £ t_ж.н. £ 30°с; -5°с £ t_м.в.н. £ 30°с).

Обратная задача. Расчет выполняется по методике 1.

4. 2. 1. По заданному расходу разбрызгиваемой воды * определяется коэффициент орошения m по формуле

. (4. 5)

4. 2. 2. Находят коэффициенты адиабатной и энтальпийной эффективности Е_а и Е_п по графикам рис. 2. 3 -2. 7 приложения 1, соответствующим выбранному типоразмеру и исполнению камеры орошения.

4. 2. 3. По заданному значению начальной температуры воды t_ж.н. находится по i-d-диаграмме соответствующая этой температуре энтальпия насыщенного воздуха i _в.нас..

4. 2. 4. Определяется энтальпия воздуха i_в.к. по формуле **

, (4. 6)

где корректирующие коэффициенты a, b и i_с принимаются по табл. 2. 1.

4. 2. 5. Определяется конечная температура воздуха t_в.к. по формуле

, (4. 7)

где в - коэффициент аппроксимации принимается по табл. 2. 1.

4. 2. 6. Вычисляется конечная температура воды t_ж.к. по формуле (4. 3).

4. 2. 7. Находятся потери давления по воде в камере орошения DР_ж по графикам рис. 3. 1 -3. 4 приложения 1.

----------------------------------------------------------------------------------------------

*Последовательность расчета при заданном расходе холода Q_х приведена в примере 4, при заданном коэффициенте орошения m - в примере 2.

**При заданном расходе холода i_в.к. определяется по формуле (2. 3), где .

----------------------------------------------------------------------------------------------

4. 3. Расчет камеры орошения при адиабатном режиме обработки воздуха (2°с £ t_ж.н. £ 30°с; -5°с £t_м.в.н. £ 30°с).

Прямая задача. Расчет выполняется по методике

4. 3. 1. По заданной начальной и конечной температуре обрабатываемого воздуха вычисляется коэффициент адиабатной эффективности Е_а по формуле

. (4. 8)

4. 3. 2. Находится коэффициент орошения m по графикам на рис. 2. 3 -2. 7 приложения 1, соответствующим выбранному типоразмеру и исполнению камеры орошения.

4. 3. 3. Определяется расход воды G_ж по формуле (4. 4).

4. 3. 4. Находят потери давления по воде DР ж в камере орошенияпо графикам рис. 3. 1 -3. 4 приложеня 1.

4. 4. Расчет камеры орошения при адиабатном режиме обработки воздуха (2°с £t_ж.н. £ 30°с; -5°с £ t_м.в.н. £ 30°с).

Обратная задача. Расчет по методике 1.

4. 4. 1. По заданному расходу разбрызгиваемой воды определяется коэффициент орошения m по формуле (4. 5).

4. 4. 2. Определяется коэффициент адиабатной эффективности Е_а по графикам рис. 2. 3 -2. 7 приложения 1, соответствующим выбранному типоразмеру и исполнению камеры орошения.

4. 4. 3. Определяется конечная температура воздуха после камеры орошения t_в.к. по формуле

. (4. 9)

4. 4. 4. Находятся потери давления по воде в камере орошения DР_ж по графикам рис. 3. 1 -3. 4 приложения 1.

4. 5. Расчет камеры орошения при политропном режиме обработки холодного воздуха теплой водой (испарительный нагрев) (2°с £ t_ж.н. £ 50°с; -27°с £ t _.в.н. £ 30°с).

Прямая задача. Расчет выполняется по методике 2.

4. 5. 1. При заданных расходах воздуха и разбрызгиваемой воды, начальных параметрах воздуха, конечном влагосодержании воздуха и начальной температуре греющей воды требуется определить расход греющей воды.

4. 5. 2. Выполняется расчет по п. п. 4. 2. 1.

4. 5. 3. Определяются коэффициенты адиабатной Е_а и политропной Е_п эффективности по графикам рис. 2. 3 -2. 7 приложения 1, соответствующим выбранному типоразмеру и исполнению камеры орошения.

4. 5. 4. Вычисляется относительный перепад температур по формуле (2. 13).

4. 5. 5. Определяется влагосодержание предельного состояния по формуле

. (4. 10)

4. 5. 6. На i-d-диаграмме определяются параметры предельного состояния воздуха и в точке пересечения линий и j =100%.

4. 5. 7. Вычисляются конечные энтальпия i_в.к. и температура t_в.к. обрабатываемого воздуха по формулам

, (4. 11)

. (4. 12)

4. 5. 8. Определяются начальная t_ж.н. и конечная t_ж.к. температуры разбрызгиваемой воды по формулам (4. 2), (4. 3).

4. 5. 9. Находиться расход греющей воды G_б, необходимый для нагрева разбрызгиваемой воды:

а) в камерахОКС2-3 со встроенным водонагревателем по графикам рис. 4. 1 приложения 1 в зависимости от принятой обвязки (параллельная или последовательная), типоразмера камеры и расходного коэффициента g. Расходный коэффициент g определяется по формулам:

для кондиционеров КТЦ3-31,5 и КТЦ3-40

, (4. 13)

где t_б.н. - начальная температура греющей воды;

для кондиционеров КТЦ3-63 и КТЦ3-80

; (4. 14)

б) в отдельно установленном бойлере - традиционным способом.

4. 5. 10. Определяется конечная температура греющей воды t_б.к. по формуле

(4. 15)

4. 5. 11. Определяются потери давления по воде DР_ж оросительной системы камеры орошения по графикам рис. 3. 1 -3. 4 приложения 1.

4. 5. 12. Определяют потери давления по воде DР_б в водонагревателе:

для встроенного водонагревателя камеры орошения ОКС2-3 - по графику рис. 4. 2 приложения 1, для отдельно установленного бойлера - традиционным способом.

4. 6. Расчет камеры орошения при политропном режиме обработке холодного воздуха теплой водой (испарительный нагрев) (2°с £ t_ж.н. £ 50°с;

-27°с £ t_м.в.н. £ 30°с).

Обратная задача. Расчет выполняется по методике 2.

4. 6. 1. При заданных расходах воздуха и разбрызгиваемой воды, начальных параметрах воздуха, разбрызгиваемой и греющей воды требуется определить конечные параметры воздуха и воды.

4. 6. 2. Выполняется расчет по п. 4. 4. 1.

4. 6. 3. Определяют коэффициенты адиабатной Е_а и политропной Е_п эффективности по графику рис. 2. 3 -2. 7 приложения 1, соответствующему типоразмеру и исполнению камер орошения.

4. 6. 4. Вычисляется относительный перепад температур Q по формуле (2. 13).

4. 6. 5. Находятся параметры предельного состояния воздуха . Для этого задаются двумя значениями энтальпии i_в.1 и i_в.2 . Рекомендуется принимать i_в.1 = 20,94 кДж/кг (5 ккал/кг) и i_в.2 =29,32 кДж/кг (7 ккал/кг).

Вычисляются соответствующие значения температур t_в.1 и t_в.2 по формуле

, (4. 16)

где i_в соответственно i_в.1 или i_в.2.

на i-d-диаграмме через точки с координатами t_в.1, i_в.1 и t_в.2, i_в.2 проводится прямая до пересечения с кривой насыщения (j =100%). Координаты точки пересечения соответствуют параметрам предельного состояния воздуха .

4. 6. 6. Определяются конечные энтальпия i_в.к. и температура t_ж.к. по формуле

. (4. 17)

4. 6. 8. Выполняется расчет по п. 4. 5. 9 -4. 5. 12.

4. 7. При необходимости получения расчетов с большей точностью, а также в диапазоне малых значений коэффициентов орошения (m £ 0,8) в пп. 4.1.3;4. 2. 2; 4. 3. 2; 4. 4. 2 приведенный коэффициент энтальпийной эффективности Е_п определяется по формулам (2. 6) и (2. 7), коэффициент адиабатной эффективности Е_а - по формуле (2. 8), коэффициент орошения m - по формуле

. (4. 18)