Nawilżanie powietrza za pomocą przegrzanej pary wodnej |
Data dodania: 05.08.2016 |
Jak wiadomo, maksymalna zawartość pary wodnej w powietrzu maleje wraz ze spadkiem temperatury. Przy temperaturze np. 25°C zawartość wilgoci wynosi aż 20,34 g/kg suchego powietrza, zaś przy –20°C – tylko 0,64 g/kg. Sytuacja ta powoduje, że klimatyzowane powietrze wymaga często nawilżania.
Jednym ze sposobów w jaki możemy nawilżyć powietrze jest zastosowanie baterii rozpylaczy hydrodynamicznych o wysokim stopniu rozpylenia lub nawilżaczy parowych. Jak wykazuje praktyka codzienna ostatni sposób jest niezwykle energochłonny.
W artykule przedstawiony został zaproponowany przez autorów oryginalny nawilżacz parowy, w którym wykorzystano ideę niezwykle skutecznego mieszadła przepływowego [1] – rys. 1 oraz atomizer – rys. 2 i prądownicę – rys. 3, które rozpylają wodę do postaci suchej mgły za pomocą przegrzanej pary wodnej.
Rys. 1. Wizualizacja działania mieszadła przepływowego
Rys. 2. Działanie atomizera naddźwiękowego o zderzających się strumieniach
Rys. 3. Działanie jednostrumieniowej prądownicy naddźwiękowej o dużym przekroju poprzecznym strumienia
W wyliczeniach założono, że temperatura początkowa powietrza wynosi –20°C, końcowa 25°C, wilgotność względna początkowa 40%, końcowa 60%, stąd przyrost zawartości pary wodnej w powietrzu x=14 g/kg powietrza.
Przyjęto również, że nadciśnienie pary wynosi 3b, temperatura 150°C, ciśnienie zewnętrzne 1b, stąd parametry spiętrzenia wynoszą:
po = 4b, ρo = po/RTo = 2,05 kg/m3, ao = √kRTo = 510 m/s
gdzie: R = 462 m2/s2K, k = 1,33 – stałe materiałowe dla przegrzanej pary wodnej.
Jeżeli prędkość przepływu jest równa lokalnej prędkości dźwięku, to mamy do czynienia z występującym w artykule przepływem krytycznym. Z tego względu przytaczamy następujące stosunki parametrów krytycznych i spiętrzenia:
p*/po = 0,539, ρ*/ρo = 0,629, a*/ao = 0,921
Nawilżacz parowy
Najpierw rozpatrzymy wypływ przegrzanej pary wodnej z otworu; po, pw, pz – ciśnienia kolejno w zbiorniku, wylotowe, zewnętrzne. Jeśli pz/po > 0,539, to wypływ jest poddźwiękowy, jeśli pz/po = 0,539 – krytyczny i pw = pz, jeśli pz/po < 0,539 – krytyczny i pw > pz – powstaje zogniskowana fala rozrzedzeniowa, wobec czego wypływający strumień staje się rozbieżny.
Następnie weźmiemy pod uwagę wypływ w przypadku pz/po < 0,539, ale z otworu o ściętym wylocie. Naturalnie na ściance krótszej fala zogniskowana powstaje wcześniej niż na dłuższej, przeto wypływający strumień skręca w stronę ścięcia.
Korzystamy z rys. 4, nawilżacz ma 48 rowków, tworzących kąt 60° z promieniem, o przekroju poprzecznym 1 mm x 1 mm, wyznaczony doświadczalnie współczynnik kontrakcji rowka α = 0,8, stąd pole wylotu α · 48 · 1 · 1 = 38,4 mm2.
Rys. 4. Konstrukcja nawilżacza parowego
Wypływ krytyczny pary odbywa się w dwóch płaszczyznach górnej i dolnej. Występuje składowa obwodowa prędkości zwrócona w górnej płaszczyźnie w prawo, zaś w dolnej płaszczyźnie – lewo, co sprzyja nasyceniu powietrza parą wodną.
Na przedstawionym schemacie na rysunku rys. 4, zauważyć możemy, że rowek w górnej płaszczyźnie ma dolną ściankę krótszą niż górną, przeto powstaje na niej zogniskowana fala rozrzedzeniowa, w związku z czym wypływ zostaje odchylony do dołu. Identyczną sytuację pokazuje rys. 5.
Rys. 5. Wizualizacja wypływu w przypadku, gdy ciśnienie wylotowe jest znacznie większe od zewnętrznego i wylot ścięty
Naturalnie, wypływ w dolnej płaszczyźnie zostaje odchylony do góry. W efekcie ma miejsce wzajemne oddziaływanie obu wypływów, co również sprzyja nasycaniu powietrza parą wodną.
skąd Qm = 83,8 kg/h.
Obowiązuje tu zależność
Qm = xρpQp (2)
gdzie:
ρp = 1,17 kg/m3 – gęstość końcowa powietrza, Qp – wydatek nawilżanego powietrza,
stąd Qp = 5100 m3/h.
Atomizer
Rozpylacz cieczy wytwarzający suchą mgłę nazywa się atomizerem. Atomizer może być hydrodynamiczny, mechaniczny lub gazodynamiczny, ten ostatni ma najwyższy stopień rozpylenia. Atomizer wyposażony w dyszę lub dysze Lavala nazywa się naddźwiękowym. Dysza Lavala może mieć przekrój kołowy lub pierścieniowy. Atomizery naddźwiękowe wykonuje się w dwóch głównych wariantach, mianowicie, o zderzających się strumieniach lub o przepływie osiowym jedno- lub dwustrumieniowym. Obecnie zajmujemy się atomizerem o zderzających się strumieniach, w dalszych naszych rozważaniach wystąpi prądownica – jest to atomizer naddźwiękowy o przepływie osiowym jednostrumieniowym. Przyjrzyjmy się konstrukcji atomizera na rysunku 6.
Rys. 6. Konstrukcja atomizera o zderzających się strumieniach: 1 – przegrzana para wodna, 2 – woda, 3 – gardziel dyszy Lavala, 4 – nagłe rozszerzenie przekroju
Atomizer instaluje się w specjalnej komorze usytuowanej na ściance kanału powietrznego [3]. Atomizer ma dwie dysze, średnica gardzieli d* = 5,5 mm, średnica igły lekarskiej pełniącej rolę rurki wodnej δ = 2 mm, α = 0,9, stąd
F* = 2απ(d2* – δ2)/4 = 37 mm2
Z zależności (1) dostajemy Qm = 80,8 kg/h.
Wprowadźmy ważną dla atomizera wielkość, tj. stosunek strumieni masy rozpylanej wody i pary wodnej β = ρwQw/Qm, gdzie ρw = 1000 kg/m3, Qw – wydatek wody. Przyjmujemy β = 0,8, stąd ρwQw = 64,6 kg/h.
Odpowiednik zależności (2) ma postać
Qm + ρwQw = xρpQp (3)
skąd Qp = 8900 m3/h.
Dysza atomizera ma dwa stopnie naddźwiękowe, dyszę Lavala zaprojektowaną na liczbę Macha M1 = 2,5 i nagłe rozszerzenie przekroju, dla którego M2 = 3, średnice wylotowe obu stopni znajdujemy z zależności (2)
gdzie: i = 1,2, skąd d1 = 9 mm, d2 = 11,5 mm.
Wprowadzamy stosunek strumieni masy pary wodnej i nawilżanego powietrza Qm/ρpQp i stwierdzamy, że zastąpienie nawilżacza parowego atomizerem zmniejsza zużycie pary wodnej o 44,5%.
Prądownica
W badaniach przedstawiona konstrukcja prądownicy na rysunku 7. zainstalowana została współprądowo w osi dostatecznie długiego prostoliniowego kanału powietrznego. Szczelina wodna o pierścieniowym przekroju poprzecznym ma szerokość 0,4÷0,6 mm, zaprojektowana na M = 3 pierścieniowa dysza Lavala tworzy kąt 30° z osią prądownicy.
Rys. 7. Konstrukcja prądownicy jednostrumieniowej: 1 – przegrzana para wodna, 2 – woda
Gardziel dyszy Lavala określona jest przez średnice 20 mm i 23 mm, α = 0,9, stąd F* = 79 mm2. Z zależności (1) dostajemy Qm = 172 kg/h, przyjmujemy β = 0,6 – wartość znacznie mniejszą niż dla atomizera, kolejno wyznaczamy ρwQw = 103 kg/h, Qp = 16 800 m3/h, z zależności (4) średnice 28 mm i 34 mm określające wylot dyszy.
Sprawdzamy, że zastąpienie nawilżacza parowego prądownicą zmniejsza zużycie pary wodnej o 39%.
Tego typu prądownica została – między innymi – zastosowana w liczbie 36 sztuk w Hucie Katowice do kondycjonowania spalin przed ich wprowadzeniem do elektrofi ltra rys. 8.).
Rys. 8. Konstrukcja prądownicy dwustrumieniowej: 1 – przegrzana para wodna, 2 – woda, 3 – wewnętrzna pierścieniowa dysza Lavala na M=3,5, 4 – pierścieniowa szczelina wodna, 5 – zewnętrzna pierścieniowa dysza Lavala na M=2, 6 – występ montażowy, 7 – kołnierz mocujący prądownicę w instalacji
Dr inż. Antoni TARNOGRODZKI
LITERATURA: |
POLECAMY WYDANIA SPECJALNE
-
Pompy ciepła 2023-2024
-
Pompy ciepła 2021-2022
-
Pompy ciepła 2022-2023
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023
-
Pompy ciepła 2020-2021
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020
-
Pompy ciepła 2019-2020
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019