Рис. 1. Распределение плотности потока массы водяного пара на стенке при t11 = 10°C
Рис. 2. Зависимость суммарного количества теплоты Q∑ — 1, количества теплоты, передаваемой конвекцией и теплопроводностью Qk — 2 и количества теплоты, передаваемой за счет конденсации Qj — 3 от температуры приточного воздуха
Рис. 3. Распределение инея в теплообменном пакете
Рис. 4. Изменение температуры удаляемого воздуха на выходе из рекуператора
Рис. 5. Падение давления в рекуператоре в условиях обмерзания
При охлаждении влажного воздуха ниже точки росы происходит конденсация водяного пара и образование жидкой или твердой фазы на поверхности разделительных стенок. При положительных температурах приточного воздуха необходимо решать задачу удаления жидкого конденсата, для чего конструкция рекуператора должна предусматривать наличие конденсатоотводчиков.
Исключить конденсацию в большинстве случаев возможно только за счет существенного снижения эффективности (путем предварительного подогрева) — в этом случае встает вопрос о рациональности применения теплообменника вообще. Вместе с тем, утилизация теплоты фазового перехода позволяет значительно повысить эффективность рекуператора (от 0,5–0,6 до 0,7–0,8), и отказываться от возможности экономить дополнительно 20% энергии в системах В и КВ не следует.
При отрицательных температурах приточного воздуха возможно как обледенение, так и образование инея в каналах пакета. Анализ ряда работ [1–3] позволяет сделать заключение о том, что возникновение льда может происходить вследствие натекания пленки конденсата на слой инея, а не при непосредственном замерзании водяной пленки (или капель). Поскольку плотность инея много ниже плотности льда, именно кристаллы инея блокируют каналы и являются причиной возрастания перепада давления в каналах.
Исследования специалистов в области тепломассопереноса и гидродинамики [4–5] показали, что деградация теплообмена происходит в основном вследствие роста аэродинамического сопротивления теплообменной поверхности. Блокирование каналов твердой фазой приводит к увеличению сопротивления пакета, что ведет за собой снижение расхода по тракту удаляемого воздуха. Потенциала удаляемого воздуха при малых расходах недостаточно для нагрева приточного, и эффективность рекуператора снижается.
Рост термического сопротивления твердой фазы в результате накопления конденсата оказывает вторичное воздействие на эффективность аппарата, а на начальном этапе инееобразование может быть даже выгодно. Действительно, отдельные кристаллы инея могут работать как интенсификаторы теплообмена подобно ребрам и турбулизаторам потока. Существует достаточно много способов борьбы с обмерзанием [6], например, периодическое отключение рекуператора с целью размораживания, предварительный подогрев приточного воздуха, реверсирование потоков.
Как правило, принятие проектных решений, направленных на борьбу с побочными явлениями при конденсации, основано на интуитивных представлениях о характере процессов, протекающих в теплообменнике. Инженерные методики расчета процессов тепломассопереноса с фазовыми переходами не дают на сегодняшний день удовлетворительных результатов, поскольку основаны на априорных допущениях и привязаны к узкому кругу эмпирических данных.
Качественная и количественная оценка распределения температур и скоростей, а также информация о фазовых превращениях может быть получена путем численного исследования процессов переноса. Однако, несмотря на значительный прогресс вычислительных методов, решение комплексной сопряженной задачи гидродинамики, переноса теплоты и массы, например, при инееобразовании на сегодняшний день чрезвычайно трудоемок.
Процессы фазовых переходов «газ–твердое тело» и «жидкость–твердое тело» пока не получили универсальной и точной трактовки и являются объектами исследований различных областей физической химии и микрофизики. Целью настоящего исследования является стремление показать на конкретных примерах особенности образования жидкой и твердой фазы в пластинчатых перекрестноточных рекуператорах и дать приближенную оценку явлениям фазовых переходов и накоплению конденсата.
В качестве инструмента теоретического анализа использована разработанная автором методика расчета перекрестноточных рекуператоров, в основе которой лежат фундаментальные уравнения сохранения энергии, движения и массы [7]. Данные об образовании инея получены из эксперимента. Рассмотрим тепломассоперенос в рекуператоре c размерами пакета: BxBxH = 0,5x0,5x0,5 м, расстоянием между пластинами h = 0,004 м при расходе приточного и вытяжного воздуха L1 = L2 = 500 м3/ч, температуре и относительной влажности вытяжного воздуха t21 = 22°C, φ21 = 60% соответственно, в диапазоне температур приточного воздуха t11 = 1–10°C.
Температура приточного воздуха принята положительной с целью исключить возможность образования твердой фазы. Относительно конденсата приняты следующие допущения: Образующийся конденсат уносится воздухом. Его движение определяется только влиянием основного потока. Действием силы тяжести пренебрегаем. Задача решается в стационарной постановке. Конденсат образуется в виде тонкой пленки, влияние которой на гидродинамику течения несущественно, термическим сопротивлением конденсата пренебрегаем.
На рис. 1 представлены результаты расчетов распределения плотности потока массы водяного пара на стенке при температуре притока t11= 10°C, рассчитанной по формуле (1). Здесь и далее пунктирными стрелками показано направление течения приточного нагреваемого воздуха, сплошными — удаляемого охлаждаемого воздуха.
Данный график позволяет судить о количестве образующегося конденсата, поскольку характеризует мгновенное приращение толщины пленки за счет конденсирующегося пара. J = ρxUxhx[d(g)/dx], (1) где h — высота канала; U — средняя скорость в канале; ρ— плотность влажного воздуха; g — влагосодержание. Анализируя данные рис. 1, можно сделать вывод о том, что толщина водяной пленки имеет максимум, находящийся в части пакета, примыкающей к месту подачи холодного приточного воздуха.
Действительно, в этой зоне высоки градиенты температур, и процессы тепломассопередачи протекают особенно интенсивно. Суммарный тепловой поток на стенке определяется как сумма конвективной составляющей (сухой теплообмен), а также теплоты, передаваемой при фазовом переходе: Qe = αx∆t + φxr, (2) где r — теплота парообразования; ∆t — разность температур приточного и удаляемого воздуха; α— коэффициент теплопередачи.
Для рассмотренной задачи величина суммарного теплового потока вычислена по изменению энтальпии приточного воздуха, тепловой поток за счет конденсации — путем расчета изменения влагосодержания удаляемого воздуха в рекуператоре, а конвективная составляющая — как их разность. На рис. 2 представлено сравнение составляющих суммарного количества теплоты, передаваемой в рассматриваемом теплообменнике, рассчитанных для различных температур приточного воздуха.
Снижение температуры притока, как и следовало ожидать, приводит к интенсификации тепло- и массоотдачи. Из графиков рис. 2 можно судить о том, что доля теплоты, передаваемой в рекуператоре при конденсации водяного пара для принятых условий, достигает величины 25 %. Влияние образования инея на эффективность и сопротивление теплообменного пакета получено опытным путем.
Испытания проведены на лабораторном стенде кафедры «Кондиционирование воздуха» СПбГУНиПТ. Испытания проводились в течение девяти часов, при этом через определенные промежутки времени измерялись средние температуры приточного и удаляемого воздуха на входе и выходе из рекуператора, а также падение давления в пакете. В помещении поддерживалась постоянная температура и влажность (t21 = 21°C, φ21 = 30 %).
В конце эксперимента теплообменный пакет был вскрыт (при отрицательной температуре) и распределение инея было зафиксировано визуально. По прошествии 9-ти часов часть каналов пакета была полностью перекрыта инеем. По длине канала иней имел различную структуру, что изображено на рис. 3. Так, в начале зоны инееобразования наблюдалось плотное скопление мелких кристаллов (зона I). Высота этого слоя постепенно росла по длине канала, плотность инея при этом уменьшалась.
Далее шла зона II инея с малой плотностью, который перекрывал практически весь канал. В конце зоны располагались отдельные крупные кристаллы, постепенно исчезающие к концу канала (зона III). Результаты испытаний представлены на рис. 4 и 5. Об изменении эффективности теплообменника можно судить по снижению степени утилизации теплоты удаляемого воздуха в процессе обмерзания, т.е. по изменению температуры вытяжки t22 на выходе из рекуператора.
Из графиков видно, что изменение эффективности и сопротивления подчиняются линейному закону. Линейное изменение характеристик рекуператора могло быть вызвано низкой влажностью в помещении лаборатории, исключавшей образование и замерзание жидкого конденсата. Точка росы влажного удаляемого воздуха была отрицательной, и инееобразование носило сублимационный характер, т.е. водяной пар переходил в иней, минуя жидкую фазу.
Есть основания предполагать, что тип образующегося инея, а следовательно и характеристики теплообменника, зависят от градиента температур и концентраций водяного пара, а также гидродинамики течения. Формирование инея в одних каналах приводит к росту сопротивления и увеличенным скоростям течения в каналах без инея.
На основании серии проведенных опытов и теоретических исследований можно предположить, что существует режим стабильной работы рекуператора при отрицательных температурах, характеризующийся, однако, низкой эффективностью и высоким сопротивлением пакета. Дать количественную оценку данному факту пока не представляется возможным, поскольку экспериментальных данных недостаточно.
Используя приведенные теоретические и опытные данные, можно получить представление о характере образования жидкого конденсата для широкого диапазона конструктивных и режимных параметров, а также прогнозировать изменение основных показателей эффективности перекрестноточных пластинчатых рекуператоров в условиях образования инея.
