Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ В СОТОВОМ УВЛАЖНИТЕЛЕ

Канев М.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет»
Представлены результаты численного эксперимента процесса испарения влаги в кассете сотового увлажнителя. При проведении численного моделирования процессов тепло- и массообмена использована k-ε модель турбулентности. В процессе расчета выполнен мониторинг параметров для оценки сходимости численного метода. Получены поля распределения параметров в кассете сотового увлажнителя – влагосодержания, интенсивности испарения, температуры и толщины пленки жидкости. Изменение толщины пленки показывает, что имеет место нестационарный режим процесса испарения движущейся пленки, что подтверждает необходимость численных исследований рассматриваемых процессов. Анализ результатов численного моделирования тепломассообменных процессов при испарении жидкой пленки с поверхности изогнутой пластины подтверждает сложный нестационарный характер увлажнения воздуха в сотовых увлажнителях. Данные исследований могут быть использования для оценки количественных характеристик параметров в аппаратах реальных размеров.
модель турбулентности.
численный эксперимент
отовый увлажнитель
1. Анисимов С.М. Тепломассообмен в аппаратах с пористой насадкой систем кондиционирования воздуха: дис. … д-ра техн. наук спец. 05.23.03, 1998. – 385с.
2. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. – М.: Изд-во физико-математической литературы, 2003. – 272 с.
3. Майсоценко В.С. Тепломассообмен в косвенно-испарительных воздухоохладителях регенеративного типа // Пром. теплотехника. – 1987. – Т. 9. – № 2. – С.84-87.
4. Сотников А.Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции // Том II, ч. 1. – СПб.: 2006. – 416 с.
5. Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха. – СПб.: Изд-во АВОК Северо-запад, 2005. – 402 с.
6. Тарабанов М. Г. Увлажнение воздуха в системах вентиляции и кондиционирования // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. – 2009. – № 3 (41).
Исследованиям сотовых увлажнителей, применяемых в системах кондиционирования воздуха, посвящено значительное количество работ, в частности [1-6]. В связи со сложностью аналитического решения процессов тепломассообмена данных аппаратов в инженерной практике для подбора увлажнителей используются результаты многочисленных экспериментальных исследований. В настоящее время для численных исследований  тепло- и гидроаэродинамических процессов в различных отраслях широко применяются программные комплексы. Таким образом, проведение численного эксперимента для  исследования процесса испарения влаги в кассете сотового увлажнителя является актуальной задачей.

Кассета сотового увлажнителя размерами 500х500 мм и глубиной 100 мм установлена в центре прямого участка канала размерами 500х500 мм и длиной 2 м. Кассета представляет собой набор волнистых листов с длиной волны около 17 мм, установленных поочередно под углом 45 и 15 градусов к горизонту. Это позволяет равномерно смачивать всю кассету и предотвращать отрыв капель при довольно больших скоростях воздуха. При этом листы, установленные под углом 45 градусов, направлены вверх по направлению движения воздуха, а листы, установленные под углом 15 градусов – вниз. Такая схема обеспечивает плавное стекание воды по направлению потока воздуха и более резкое против направления движения потока воздуха, что предотвращает отрыв капель.

Рассматриваемая задача решалась с использованием программы StarCCM+. Данная программа позволяет решать различные задачи, в том числе связанные с моделированием процессов вентиляции и кондиционирования воздуха. Для того чтобы смоделировать процесс испарения жидкой пленки, необходимо рассмотреть нестационарную задачу, т.к. в стационарной задаче невозможно подключить модели испарения и конденсации жидкой пленки. Шаг по времени составил 0,01 с. На каждый шаг физического времени приходилось по 5 итераций. Для перехода от дифференциальных уравнений к дискретным применен метод конечных объемов.

На рис.1 приведена расчетная сетка модели канала с кассетой. Сетка существенно сгущается вблизи испаряющих поверхностей увлажнителя.

Рис.1. Расчетная сетка модели канала с кассетой для увлажнения

 

На развитой поверхности насадки задана жидкая пленка толщиной 1 мм, которая стекает под действием силы тяжести. Пленка поддерживается за счет потока массы на верхней кромке волнистых листов 0,00055 кг/с. На нижней кромке потоки воды и воздуха разделяются: воздух идет дальше по каналу, а вода уходит за пределы рассматриваемой области.

При решении задачи используется k-ε модель турбулентности. Смесь воздуха и водяных паров считается идеальным несжимаемым газом. Давление насыщения водяных паров рассчитывается по уравнению Антуана. Интенсивность испарения составляет около 0,0005 кг/м2с, что соответствует данным производителя и экспериментальным исследованиям.

Скорость воздуха принимается равной 2,5 м/с, что является нормальной скоростью для работы увлажнителей данного типа (допустимый диапазон 1,5 – 4,5 м/с). В качестве граничных приняты следующие условия: температура воздуха на входе в канал 21 °С, влагосодержание 4,16 г/кг с. в. Температура потока воды, подаваемого на верхнюю часть увлажнителя, равна 16 °С, что примерно соответствует температуре воздуха по мокрому термометру при заданных условиях (в реальных аппаратах вода из поддона постоянно циркулирует и поэтому принимает температуру воздуха по мокрому термометру).

В качестве начальных условий приняты следующие: параметры воздуха в объеме канала имеют те же параметры, что и поток воздуха на входе, температура 21 °С, влагосодержание 4,16 г/кг с. в., температура жидкой пленки на развитой поверхности кассеты также 16 °С.

При моделировании процесса увлажнения в целой кассете получается очень большое количество ячеек либо слишком грубая сетка. В связи с этим принято решение смоделировать процесс испарения одной волнистой пластиной увлажнителя. В полной кассете таких пластин насчитывается 68.

На рис. 2–5 приведены результаты численного эксперимента. Как известно, при проведении численного эксперимента выполняется оценка сходимости, которая означает уменьшение до нуля ошибки численного решения по мере того, как размеры контрольных объемов расчетной области стремятся к нулю.  В силу ограниченности вычислительных ресурсов расчет считался законченным, когда поведение отслеживаемых параметров становилось стационарным (либо значение изменялось не более чем на 2–3 %, либо наблюдался стационарный колебательный режим). Результаты мониторинга некоторых из  исследуемых параметров приведены на рис. 6 и 7.

Одним из наиболее важных параметров в процессе увлажнения является влагосодержание. Как показывают результаты численных исследований (рис. 2), использование только одного ряда пластин обеспечивает увеличение влагосодержания на 0,07 г/кг с.в. Это соответствует необходимой степени увлажнения воздуха в реальных условиях.

Рис.2. Распределение влагосодержания, кг/кг с.в.

Рис.3. Распределение интенсивности испарения

 

Рис. 3 удовлетворительно характеризует процесс выравнивания интенсивности испарения по высоте пластины, что позволяет прогнозировать равномерность распределения этого параметра в кассетах реальных размеров.

Как известно, в сотовых увлажнителях реализуются процессы, близкие к адиабатическому увлажнению, т.е. с понижением температуры обрабатываемого воздуха, что наглядно видно на рис. 4.

Рис.4. Распределение температуры воздуха

Рис.5. Изменение толщины пленки

 

Рис. 6. Сходимость интенсивности испарения

 

Рис.7. Сходимость толщины пленки

 

Изменение толщины пленки (рис.5) показывает, что имеет место нестационарный режим процесса испарения движущейся пленки, что подтверждает необходимость численных исследований рассматриваемых процессов. При этом толщина пленки приведена в долях от 1.

Выводы 

Анализ результатов численного моделирования тепломассообменных процессов при испарении жидкой пленки с поверхности изогнутой пластины подтверждает сложный нестационарный характер увлажнения воздуха в сотовых увлажнителях. Данные исследований позволяют спрогнозировать количественные характеристики параметров в аппаратах реальных размеров.

Рецензенты:

Дацюк Т.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой строительной физики и химии, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург;

Уляшева В.М., д.т.н., доцент, профессор кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.



Библиографическая ссылка

Канев М.А. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ В СОТОВОМ УВЛАЖНИТЕЛЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=20735 (дата обращения: 20.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074