Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Согласно исследованиям [1], все более актуальной становится задача по формированию у обучающихся навыков, позволяющих им использовать теоретические знания в реальных инженерных системах. В последние годы нехватка оборудования для проведения лабораторных экспериментов была серьезной проблемой в высшем образовании. Анализ концепции реализации современного лабораторного практикума в педагогической литературе [2, 3, 4] показал актуальность использования практико-ориентированного подхода. Так, в курсе «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение» студенты КГАСУ по профилям подготовки «Инженерные системы жизнеобеспечения в строительстве зданий» (направление подготовки 08.03.01 Строительство), «Строительство и эксплуатация объектов теплоэнергетики и теплотехники» (направление подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника) проводят исследования эффективности проектных решений обработки воздуха на действующем центральном кондиционере с рециркуляцией воздуха, где в зависимости от конкретных условий требуемого тепловлагообмена используется комбинация фреонового воздухоохладителя и модуля сотового увлажнителя с орошаемым слоем [5, 6].

У студентов КГАСУ также есть возможность проводить комплекс занятий с «контактным тепломассообменным модулем» приточной установки, где в качестве основного блока выступает камера орошения. На действующей установке студентам можно показать, что форсуночные камеры орошения энергетически более эффективны в плане получения максимальной поверхности непосредственного контакта капель воды и воздуха при наименьшем аэродинамическом сопротивлении самой камеры [7, 8, 9]. Кроме того, имеется возможность наглядно показать универсальность камер орошения, так как в них могут проводиться как изоэнтальпические (адиабатические), так и политропические процессы. Например, в теплый период года в камере орошения воздух охлаждается и осушается за счет использования холодной воды с температурой ниже температуры точки росы воздуха. В холодный период в камере орошения воздух увлажняется в изоэнтальпическом режиме при распыливании оборотной воды, имеющей температуру мокрого термометра воздуха.

На теоретических занятиях в первую очередь студентов знакомят с изоэнтальпическим режимом камеры орошения распылительного типа. Указывается, что для оценки КПД при работе в этом режиме используют коэффициент адиабатической эффективности Eа, отражающий отношение в процессе температур воздуха по сухому термометру t1 и t2 соответственно на входе в камеру орошения и на выходе из нее – к температуре воздуха по мокрому термометру tм1

.

Фактически коэффициент Eа характеризует степень завершенности процесса изоэнтальпического увлажнения воздуха (с охлаждением) в контактной зоне аппарата. При этом коэффициент эффективности Eа зависит от массовой скорости воздуха и коэффициента орошения В. Коэффициент орошения В определяется как отношение массового расхода воды к массовому расходу воздуха.

Особое внимание студентов обращается на то, что для достижения эффективной обработки воздуха в крупных адиабатических камерах орошения рекомендуется использовать незасоряемые высокопроизводительные форсунки с большим диаметром выходного отверстия. Широкофакельные тангенциальные форсунки обладают такими характеристиками [10], они имеют диаметр сопла 5–7 мм и создают сплошной плоский капельный факел с углом конусности более 160 градусов. Однако из-за высокой полидисперсности факела распыла в объеме камеры орошения с такими форсунками испаряются только мелкие капли размером до 20–50 мкм, что составляет лишь 20–30% от общего расхода воды на распыление. Крупные же капли не успевают испариться, собираются в поддоне камеры для повторного распыления. Поэтому в крупных адиабатических камерах необходима интенсивная циркуляция воды, чтобы обеспечить достаточный коэффициент орошения, который может достигать значений В =2 и более.

Вместо широкофакельных форсунок в распылительных камерах компактных приточных установок, работающих в адиабатическом режиме, нужно использовать мелкодисперсные гидравлические форсунки низкого давления [11]. Факел распыла у них более однородный, с существенным преобладанием быстро испаряющихся мелких капель, что важно для целей увлажнения воздуха. При этом не требуются большие значения коэффициента орошения В. Форсунки такого типа из-за большой дальнобойности факела при угле конусности 60–70° устанавливают на верхней стенке камеры либо в выходном сечении камеры с распылом навстречу воздуху.

Наиболее эффективны для применения в камерах орошения пористые вращающиеся распылители (ПВР), создающие практически монодисперсный факел распыла. Конструкция и схема работы ПВР показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Схема ПВР и режимы каплеобразования: а – капельный; б – струйный; w – угловая скорость вращения; dк – диаметр капель; dк – диаметр зерна пористого материала ПВР

Распылитель в виде полого цилиндра, имеющего толщину стенки d, выполнен из пористого материала, который получен методом спекания из одноразмерных зерен dз. При вращении с угловой скоростью w во внутреннюю полость распылителя подается вода, которая под действием центробежной силы фильтруется сквозь пористую стенку и в виде капель и струй диаметром dк сбрасывается с зерен на его внешней поверхности. Так как зерна близки по геометрии и размерам, то и капли получаются практически одноразмерными. При окружных скоростях вращения свыше 20 м/с отношение диаметров наиболее крупных капель к самым мелким в распыле составляет . У ПВР с размером зерен материала мкм формируется равномерный факел распыла с каплями диаметром dк ~ 20–30 мкм. Все эти характеристики ПВР позволяют управлять дисперсностью за счет скорости вращения и максимально интенсифицировать процесс увлажнения в адиабатических аппаратах, таких как камера орошения.

Студенту необходимо знать описанные выше характеристики разных типов распылителей для правильного расчета и конструирования камер орошения приточных установок вентиляции и кондиционирования воздуха. Особенно важно дать ему возможность проводить самостоятельные экспериментальные исследования по определению влияния дисперсности факела распыла и геометрии расположения распылителей на эффективность управляемых тепломассообменных процессов при обработке воздуха.

Цель исследования

Целями данной работы являются определение возможности использования в учебном процессе лабораторного стенда для экспериментальной оценки эффективности тепломассообменных процессов и разработка содержания практико-ориентированного лабораторного практикума по дисциплине «Кондиционирование и холодоснабжение», в котором студенты получат возможность определять эффективность камер орошения с диспергаторами разных типов: с широкофакельными и гидравлическими форсунками низкого давления, пористыми вращающимися распылителями. Характеристики тепломассообмена между воздухом и каплями воды предлагается изучать на лабораторном стенде с изменяемой схемой расположения распылителей. Конструкция камеры орошения позволяет исследовать целый ряд управляемых процессов обработки воздуха благодаря многорядной установке распылителей и наличию системы регулирующих клапанов на линии питания, позволяющих в широком диапазоне управлять расходом и дисперсностью распыляемой воды.

Таким образом, посредством использования прикладного характера лабораторного практикума предлагается практико-ориентированный подход при применении специализированного лабораторного стенда.

Материал и методы исследования

Для имитации основных процессов тепломассообмена используется лабораторный стенд, схема которого показана на рисунке 2. Стенд содержит узел забора воздуха из помещения с клапаном 1, электрический воздухонагреватель 2, вентилятор 3, камеру орошения 4 с поддоном 5. Перед камерой орошения 4 смонтирован воздухораспределитель 6 для выравнивания воздушного потока после вентилятора. Отделение неиспарившихся капель воды производится в каплеуловителе 7, установленном на выходе из камеры орошения. Он защищает от проникновения мельчайших капель в приточный воздуховод 8.

Рис. 2. Схема лабораторного стенда для испытаний эффективности тепломассообменных процессов в камере орошения (вариант с гидравлическими форсунками низкого давления)

Вода из мерной емкости 11 насосом 13 подается к распылителям 9. Насос 14 удаляет воду из поддона 5 в мерную емкость 15. Количество обрабатываемого воздуха G, его температура t1 и относительная влажность j1 на входе в оросительную камеру, а также температура за камерой (в воздуховоде) t2 регистрируются в контроллере 10. Расход воды на распыление W варьируется включением разного количества распылителей n и устанавливается с помощью ротаметра 12, тарированного объемным методом.

В зависимости от способов образования межфазной поверхности и исследуемой распылительной системы на съемной крышке камеры могут быть смонтированы различные типы распылителей, указанные выше. Так, конструкция лабораторного стенда дает возможность испытать несколько систем распыления (рис. 3):

Рис. 3. Схемы расположения распылителей на лабораторной установке при исследованиях эффективности работы камеры орошения на основе: а – мелкодисперсных гидравлических форсунок; б – широкофакельных тангенциальных форсунок; в – ПВР

– систему распыления на основе мелкодисперсных гидравлических форсунок с направлением факела распыла «сверху вниз» (рис. 3а);

– систему распыления с широкофакельными форсунками, расположенными на вертикальных стояках в два ряда (рис. 3б). Распылять воду можно по направлению потока воздуха – «прямоток», против направления воздуха – «противоток», а также этими двумя способами – «смешанный режим»;

– систему распыления на основе одного ряда ПВР или двух (рис. 3в).

Все указанные системы распыления позволяют управлять процессами адиабатного увлажнения воздуха, в результате которых непосредственно после камеры орошения можно получить приточный воздух с требуемой температурой по сухому термометру tП при постоянной фиксированной температуре по мокрому термометру tм (процесс К-П на рисунке 4а). Точкой К обозначены параметры воздуха после первой ступени подогрева; точкой П – конечные параметры воздуха после камеры орошения.

а) б)

Рис. 4. I-d диаграмма процесса адиабатной обработки воздуха: а – при управляемом распылении; б – при полидисперсном распылении

Управляемые адиабатные процессы качественно отличаются от способа «регулирования влажности воздуха по точке росы» (рис. 4б), используемого в большинстве центральных кондиционеров, так как не требуют второй ступени подогрева. Постоянную температуру воздуха по мокрому термометру могут поддерживать датчики температуры, устанавливаемые в поддоне камеры орошения, которые воздействуют на устройства, изменяющие расход теплоносителя в теплообменнике первого подогрева.

Следует отметить, что верхнее расположение форсунок в предлагаемой конструкции камеры орошения представляется наиболее удачным решением, при котором поперечное сечение камеры свободно от распределительных коллекторов, а сами форсунки доступны для обслуживания при их компактном размещении на откидной крышке камеры.

Результаты исследования и их обсуждение

Как было отмечено ранее, использование лабораторного стенда при изучении дисциплины «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение» дает возможность применять практико-ориентированное обучение в вузе.

При проведении лабораторных работ с каждой из представленных на рисунке 3 схем студенты снимают показания с контроллера 10 и заносят их в журнал испытаний (пример заполнения журнала приведен в таблице). Выполняя работу, студенты определяют температуру мокрого термометра tм1 построением процесса обработки воздуха на I-d диаграмме, учитывая интенсивность подачи воды и воздуха в каждом эксперименте. Результаты расчетов коэффициентов B и Еа также заносятся в таблицу измерений. После завершения расчетов делается вывод об эффективности работы камеры в исследованном режиме.

Журнал для разного числа подключенных мелкодисперсных гидравлических форсунок n

Рис. 5. Зависимость коэффициента адиабатной эффективности Еа от коэффициента орошения В при разном количестве рядов включенных мелкодисперсных гидравлических форсунок

Результаты испытаний студенты также представляют графически, в частности в виде зависимости коэффициента Еа от коэффициента В и числа рядов форсунок (рис. 5). На основе анализа таблицы измерений и полученной зависимости студенты определяют, что для данной конструкции оросительной камеры коэффициент B находится в пределах от 0,01 до 0,024. Следовательно, камера орошения относится к камерам малой интенсивности. Диапазон значений В, в котором Еа меняется сильнее всего, достаточно широк (от 0,01 до 0,019), что позволяет использовать первый ряд форсунок при необходимости прецизионного изменения влажности в холодный период года. При включении второй и третьей дополнительных линий форсунок коэффициент Еа приближается к единице и незначительно зависит от коэффициента орошения В. Таким образом, студенты могут сделать вывод, что в адиабатической камере орошения с 2 и 3 работающими рядами форсунок можно осуществлять любые процессы обработки воздуха, включая испарительное охлаждение.

Во время проведения лабораторной работы студенты наглядно получают знания о том, что важным преимуществом управляемых процессов в системах вентиляции и кондиционирования воздуха является экономия тепловой энергии в холодный и переходный периоды года, которая достигается благодаря возможности поддержания в обслуживаемых помещениях допустимых нормами параметров воздуха при минимальных значениях энтальпии и относительной влажности (т.е. при j=30%). Студенты также делают вывод о том, что при применении прямоточных систем с управляемым распылением определенная экономия достигается за счет меньшей поверхности нагрева, так как нет необходимости в теплообменниках второго подогрева.

Заключение

Созданный лабораторный стенд позволяет проводить экспериментальные исследования по оценке эффективности оросительных камер с различными типами распылителей, например форсунками или ПВР. Проведенный анализ использования лабораторного стенда подтверждает эффективность его применения при практико-ориентированном подходе в образовательном процессе. Лабораторный стенд может быть использован в учебном процессе при изучении дисциплины «Кондиционирование и холодоснабжение», а также при проведении научных исследований в рамках магистратуры по программе подготовки «Системы теплогазоснабжения и вентиляции».