Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и возможные пути улучшения микроклимата в стационарных объектах птицеводства 14
1.1. Требования к параметрам микроклимата в птицеводческом помещении 14
1.2. Пути и средства улучшения температурно-влажностных параметров воздуха в стационарных объектах птицеводства 21
1.3. Исследования в области испарительного охлаждения. Современное состояние и перспективы улучшения 37
1.4. Анализ теплопоступлений в птицеводческое помещение 49
1.5. Влияние охладителя натепловой баланс помещения 53
1.6. Выводы. Постановка цели и задач исследования 58
2. Влажностный баланс птицеводческих помещений. Математическое моделирование работы охладителя 60
2.1. Теплофизические характеристики влажного воздуха 60
2.2. Баланс влаги в помещении 69
2.3. Математическое моделирование работы водоиспарительного охладителя 72
2.4. Выводы 87
3. Программа и методика экспериментального исследования ... 88
3.1. Программа исследования. 88
3.2. Объекты исследований и применяемое оборудование 88
3.3. Методика экспериментальных исследований 92
3.3.1. Методика определения зависимости глубины охлаждения и хол одо производительности от входных параметров воздуха 93
3.3.2. Методика определения влияния расхода воздуха на глубину охлаждения и холодопроизводительность 93
3.3.3. Методика проверки адекватности математической модели 94
3.4. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 94
3.5. Выводы 96
4. Результаты экспериментальных исследований. Сравнение теоретических и экспериментальных исследований 97
4.1. Анализ влияния температурно-влажностных параметров входного воздуха на глубину охлаждения и холодопроизводительность испарительного охладителя 97
4.2. Анализ влияния расхода воздуха на глубину охлаждения и холодопроизводительность испарительного охладителя 100
4.3. Анализ адекватности математической модели 103
4.4. Выводы. 105
5. Оптимизация геометрических размеров охладителей. Определение экономической эффективности от применения водоиспарительного охлаждения в птицеводческих помещениях 106
5.1. Аэродинамические сопротивления воздуховодов и каналов испарительной насадки. 106
5.2. Моделирование прямого охлаждения с учетом аэродинамики испарительных насадок и воздуховодов 108
5.3. Оптимизация геометрических размеров испарительных насадок 115
5.4. Определение экономической эффективности от применения водоиспарительного охлаждения в птицеводческих помещениях 118
5.5. Выводы 123
Общие выводы 125
Литература 126
Приложения 143-150
- Требования к параметрам микроклимата в птицеводческом помещении
- Теплофизические характеристики влажного воздуха
- Методика определения зависимости глубины охлаждения и хол одо производительности от входных параметров воздуха
- Анализ влияния температурно-влажностных параметров входного воздуха на глубину охлаждения и холодопроизводительность испарительного охладителя
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современные технологии выращивания и содержании сельскохозяйственной птицы предусматривают ее содержание в специализированных закрытых помещениях. Переход на содержание птицы в клеточных батареях объясняется стремлением сельхозпроизводителя максимально эффективно использовать каждый кубический метр полезного пространства. Данной проблеме посвящены труды таких известных ученых, как Бабаханов Ю.М., Баланин В.И., Битколов Н.З., Бодров В.И., Грабауров В.А., Гриднев П.И., Завражнов А.И., Золотарев М.П., Имангулов Ш.И., Кирсанов В.В., Маилян Э.Н., Плященко СИ. и др.
В подобных условиях разведения сельскохозяйственной птицы крайне актуальной является задача непрерывного соблюдения всех технологических и зоотехнических параметров при ее содержании и выращивании, наиболее значимыми из которых являются качество кормов, селекционная работа и состояние воздушной среды в птицеводческом помещении.
Последний фактор, как известно, во многом определяет состояние здоровья птицы, а также непосредственно сказывается на ее продуктивности. К основным параметрам воздушной среды, которые оказывают влияние на птицу, относят: температуру и влажность воздуха, его запыленность и скорость движения. Известно, что продуктивность птицы на 20-30 % определяется состоянием воздушной среды помещения.
Существующие в птичниках системы вентиляции не способны круглогодично поддерживать в помещении необходимые параметры воздушной среды. В летний период это объясняется значительными теплопритоками, с которыми вентиляционная система справится не в состоянии, а зимой подаваемый в помещение воздух требует предварительного подогрева, что обуславливает необходимость в дополнительных тепловых установках.
В этой связи утверждена приказом №129 от 6 марта 2013 г. «Отраслевая программа развития птицеводства в РФ», которая направлена на создание условий, способствующих обеспечению продовольственной безопасности Российской Федерации. Согласно этой программе главными направлениями в обеспечении прироста производства птицеводческой продукции с учетом максимально используемых внутренних резервов развития отрасли будут являться: обновление производственной базы птицеводческих организаций, строительство новых предприятий, проведение реконструкции и модернизации действующих предприятий; реализация инновационных ресурсосберегающих технологий и научных разработок.
Руководствуясь дорожной картой данной программы и основываясь на современных тенденциях содержания птицы в европейских странах, необходимо отметить, что при строительстве и модернизации птичников определяющими критериями, предъявляемыми к вентиляционным системам, а также системам охлаждения и подогрева воздуха будут ресурсосбережение, экологическая безопасность.
Этим критериям полностью отвечают водоиспарительные охладители воздуха в жаркий период года и рекуператоры тепла - в холодный. Однако, их применение в настоящее время незначительно и ограничивается в первую очередь отсутствием достаточной теоретической базы по определению наиболее рациональных геометрических параметров и режимов их работы. Поэтому создание необходимой теоре-
тической базы, позволяющей определить параметры охладителей и рекуператоров, в комплексе с исследованиями, обуславливающими наиболее рациональные режимы их работы для нормализации температурно-влажностных параметров воздушной среды птицеводческих помещений с целью повышения продуктивности сельскохозяйственной птицы является актуальной проблемой.
Степень разработанности проблемы. Вопросами вентиляции производственных и животноводческих помещений занимались Бабаханов Ю.М., Бахарев В.А., Битколов Н.З., Бромлей М.Ф. Буянов В.И., Гримитлин A.M., Егиазаров А.Г., Иваненко В., Каменев П.Н., Крум Д., Кудрявцев Е.В., Левыкин М., Мелькумов В.Н., По-зин Г.М., Полосин И.И., Полушкин В.И., Роберте Б., Скрыпник А.И, Талиев В.Н., Трояновский В.Н., Шацкий В.П.
В работах этих авторов отмечается, что для гарантированного поддержания температурно-влажностных параметров воздушной среды птицеводческих помещений в течение года необходимо применять охлаждение и подогрев воздуха. Кондиционированию воздуха посвящены работы Архипова В.Г., Баркалова Б.В., Безручко А.С., Богословского В.Н., Заводова А., Кириллова Н.К., Кокорина О.Я., Крума Д., Пчелкина Ю.Н., Свистова В.В., Сидорова В.М.
В свою очередь проблемой обогрева птицы в холодный период года занимались Барановский Н.В., Бахарев В.А., Егиазаров А.Г., Раяк М.Б. и др.
Цель исследований — повышение продуктивности сельскохозяйственной птицы за счет улучшения температурно - влажностных параметров воздушной среды птицеводческого помещения путем включения в его систему вентиляции пластинчатых водоиспарительных охладителей воздуха в жаркий период года и рекуператоров тепла в холодное время и разработки их геометрических параметров и режимов их работы.
Для достижения поставленной цели с учетом сформулированной научной гипотезы предусмотрим решение следующих задач исследования:
-
обосновать выбор технических средств для нормализации температурно-влажностных параметров воздушной среды птицеводческих помещений в жаркое и холодное время года;
-
теоретически обосновать критерии эффективности работы пластинчатых теплообменников в птицеводческих помещениях;
3) определить необходимые физико-механические свойства капиллярно-
пористого материала для водоиспарительных охладителей, обеспечивающими их
эффективную работу;
-
разработать математическую модель энергетического баланса в водоиспарительных охладителях, отличающуюся учетом специфики испарительных свойств теплообменных пластин;
-
разработать математические модели процессов тепло-массопереноса в каналах испарительных насадок водоиспарительных охладителей и противоточных теплообменниках с учетом продольно-поперечной теплопроводности пластин; методы реализации предложенных моделей;
6) определить этапы исследований, приводящие к конкретным рекомендациям по конструированию указанных установок; условия, влияющие на эффективность их работы; на основании предложенных рекомендаций построить опытные и промышленные образцы охладительных установок и рекуператоров тепла;
-
определить перспективы практического использования теории на практике путем проведения оптимизации геометрических параметров и режимов работы охладителей и теплообменников; допустимые климатические пределы использования предложенных математических моделей на практике;
-
создать основополагающую базу практических рекомендаций и программных модулей для выбора систем нормализации температурно-влажностных параметров в птицеводческих помещениях, основанную на моделировании протекающих в них тешюфизических процессов.
-
провести оценку эффективности работы предлагаемых теплообменников, а также экономический эффект от их применения в жаркое и холодное время года.
Для достижения поставленной цели нами была выдвинута научная гипотеза о возможности значительного улучшения состояния микроклимата птицеводческих помещений при использовании пластинчатых теплообменников, которые представляют собой в жаркое время года водоиспарительные охладители воздуха, а в зимнее - рекуператоры тепла.
Объект исследования: функционирование и режимы работы охладительных комплексов водоиспарительного принципа действия и пластинчатых рекуператоров
тепла.
Предмет исследования: закономерности изменения температурно-влажностного состояния воздушной среды птицеводческих помещений; физические процессы, протекающие в каналах и основополагающих элементах пластинчатых охладителей и рекуператоров тепла, а также критерии эффективности заявленных устройств, необходимые для создания их оптимальных конструкций.
Методика исследований. Решение проблемы реализовано с применением методов теоретических и эмпирических исследований. При проведении лабораторных исследований и производственных испытаний использованы классические и частные методики с применением математического моделирования и математической статистики, а также современных приборов и вычислительной техники.
Научная новизна и практическая значимость:
- положения о количественной взаимосвязи температурно-влажностных параметров воздушной среды в птицеводческих помещениях с энергетическими характеристиками охладительных и теплогенерирующих комплексов;
методы математического моделирования, основанные на краевых задачах для систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического и эллиптического типов, алгоритмы численных реализаций построенных моделей;
аргументы, доказывающие преимущество предлагаемых установок нормализации микроклимата; этапы исследований, приводящие к конкретным рекомендациям по конструированию указанных установок; условия, влияющие на эффектив-
ность их работы;
- факт постоянства температуры поверхностей пластин в испарительных насад
ках прямого принципа действия, что позволило вывести одномерную модель тепло-
массопереноса; противоречие, заключающееся в снижении эффективности работы
охладителей при увеличении глубины охлаждения свыше некоторого значения;
факт снижения эффективности работы пластинчатых теплообменниках при значи
тельном увеличении теплопроводности пластан за счет продольной теплопередачи;
модернизация моделей тепло-массопереноса в водоиспарительных охладителях и теплопереноса в противоточных пластинчатых теплообменниках, введением уравнения переноса тепла в пластинах; в качестве метода реализации полученных граничных задач предложен метод решения систем алгебраических конечно-разностных уравнений в объединенной области «каналы - пластины».
расчетные формулы для определения температурно-влажностных параметров птицеводческих помещений при использовании водоиспарительных охладителей и рекуперативных теплообменников; математические модели и алгоритмы их реализации для выбора параметров и режимов работы охладителей и пластинчатых теплообменников. На основании предложенных рекомендаций построены опытные и промышленные образцы охладительных установок;
перспективы практического использования теории на практике путем проведения оптимизации геометрических параметров и режимов работы охладителей и теплообменников; допустимые климатические пределы использования предложенных математических моделей на практике;
система практических рекомендаций и программных модулей для выбора систем нормализации температурно - влажностных параметров в птицеводческих помещениях, основанная на моделировании протекающих в них теплофизических процессов;
- методические рекомендации и программы для ЭВМ, позволяющие опреде
лить геометрические параметры и режимы работы комплексов для нормализации
микроклимата в птицеводческих помещениях, расчеты и рекомендации к производ
ству водоиспарительных охладителей как прямого, так и косвенного принципа дей
ствия, а также предложения по дальнейшему совершенствованию конструкций пла
стинчатых теплообменников.
Результаты научных исследований представлены в завершенном виде.
Постановлением правительства Липецкой области № 485 от 30 апреля 2014, в рамках обновления производственной базы птицеводческих организаций с реализацией инновационных ресурсосберегающих технологий и научных разработок, указанные пластинчатые охладители и рекуператоры включены в государственную программу Липецкой области «Развитие сельского хозяйства».
Степень достоверности результатов, полученных при теоретических исследованиях, подтверждается данными лабораторных и производственных испытаний водоиспарительных пластинчатых охладителей и рекуператоров тепла.
Необходимая глубина анализа и достоверность выводов достигается применением общенаучных методов и приемов - монографического, аналитического, экономико-математического, статистического, графического.
Эмпирическая база исследования включает обработанные данные, полученные в результате проведения лабораторных экспериментов и опытно-производственных испытаний.
Сходимость теоретических и экспериментальных данных позволяет говорить об адекватности предложенных математических моделей и не противоречит фактам, известным из специальной литературы.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с перспективным планом научно - исследовательской работы ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», утвержденного на заседании на-
учно-технического совета 15 декабря 2010 г., протокол № 5. Тема №4.2 «Инновационные направления совершенствования процессов и технических средств механизации производства продукции животноводства».
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах работы: обоснование актуальности выбранной темы, формулировка цели и задач исследований, а также научной гипотезы для их решения, разработка новых математических моделей тепло- и массопереноса в каналах пластинчатых теплообменников и метод их реализации, составление программы проведения экспериментов и анализа полученных эмпирических данных, определение критериев оптимизации работы пластинчатых теплообменников, позволивших обосновать наиболее рациональные параметры и режимы их работы. По результатам исследований им сформулированы выводы и проведена работа по оформлению диссертации и автореферата.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научных конференциях Воронежского государственного аграрного университета имени императора Петра I (2000 - 2014 г.г.), на международных научно-практических конференциях (Старый Оскол, 2004, 2011г., Москва, 2007), на воронежской зимней математической школе «Понтрягинские чтения» (Воронеж, 2007, 2010 г.), на международной молодежной научной конференции «Молодежь и XXI век» (Курск, 2010), на XIV международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, 2010 г.), на международном научно-техническом семинаре (Воронежская лесотехническая академия, 2010 г.), на XII международной молодежной научной конференции Севергеоэкотех. (Ухта, 2011 г.). Результаты работы включены в справочник инновационных разработок ВУЗов Российской Федерации. (Белгород, 2013 г.), Международная открытая конференция «Современные проблемы анализадинамических систем. Приложения в технике и технологиях» (Воронежская государственная лесотехническая академия, 2014). В рамках выставки «Агросе-зон-2013», посвященной современной технике и технологиям в земледелии и животноводстве награжден золотой медалью за разработку проекта «Водоиспаритель-ный охладитель воздуха».
Защищаемые положения:
математическая модель энергетического баланса в водоиспарительных охладителях, основанная на аппроксимации табличных значений для плотности насыщенного пара, отличающаяся учетом специфики испарительных свойств теплооб-менных пластин;
математические модели процессов тепло-массопереноса в каналах испарительных насадок водоиспарительных охладителей и противоточных теплообменниках с учетом продольно-поперечной теплопроводности пластин; методы реализации предложенных моделей;
расчетные формулы для определения температурно-влажностных параметров птицеводческих помещений при использовании водоиспарительных охладителей и рекуперативных теплообменников;
математические модели и алгоритмы их реализации для выбора параметров и режимов работы охладителей и пластинчатых теплообменников;
система практических рекомендаций и программных модулей для выбора систем нормализации температурно-влажностных параметров в птицеводческих поме-
щениях, основанная на моделировании протекающих в них теплофизических процессов;
- методические рекомендации и программы для ЭВМ, позволяющие определить геометрические параметры и режимы работы комплексов для нормализации микроклимата в птицеводческих помещениях, а также расчеты и рекомендации к производству водоиспарительных охладителей прямого принципа действия, а также предложения по дальнейшему совершенствованию конструкций пластинчатых теплообменников.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе 15 работ - в изданиях, рекомендованных для опубликования результатов докторских диссертаций, 1 монография.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 327 страницах машинописного текста. Список литературы включает 254 наименования.
Требования к параметрам микроклимата в птицеводческом помещении
Для получения высокой продуктивности сельскохозяйственной птицы необходимо соблюдать все технологические параметры при её содержании и выращивании, наиболее значимыми из которых являются качество кормов, селекционная работа и состояние окружающей среды в птицеводческом помещении.
Известно, что продуктивность сельскохозяйственной птицы на 50-60% определяется количественным и качественным составом кормов, на 20% -уходом и на 20-30% состоянием воздушной среды в помещениях [35,45,54,65,79].
На получение продукции расходуется около 30% энергии корма, а оставшаяся часть переходит в окружающую среду в процессе обмена в виде теплоты, экскрементов, влаги, газов и.т.п..Эти выделения в большей мере и определяют создаваемые в птицеводческом помещении параметры воздушной среды, причем каждый из этих параметров воздействует на процессы жизнедеятельности птицы, создавая, таким образом, обратную связь.
Организм птицы находится в постоянном взаимодействии с самыми разнообразными факторами окружающей среды, что проявляется в глубоких изменениях физиологических процессов (кровообращения, дыхания, газообмена, терморегуляции, потребления корма и т.д.), и, в конечном счете, оказывает влияние на продуктивность птицы. Поэтому, наряду с улучшением кормления и организацией селекционной работы большим резервом повышения продуктивности является нормализация условий содержания птицы. При решении задач, связанных с кондиционированием птицеводческих помещений, необходимо знать зоогигиенические требования к параметрам микроклимата. Под микроклиматом помещения понимается совокупность параметров окружающей среды ограниченного пространства, определяющих температурный, влажностный, газовый, микробиологический, световой, и др. режимы. Все параметры микроклимата по своему действию на продуктивность птицы можно разделить на две группы [79]: к первой относят параметры, влияющие на органы терморегуляции (температура, относительная влажность и скорость движения воздуха), а ко второй - параметры, влияющие на физиологические функции организма (химический состав воздуха, освещённость и производственный шум). По отношению к первой группе продуктивность изменяется одновременно с изменением параметров, а ко второй воздействие проявляется через продолжительное время после изменения параметров.
Температуру, относительную влажность, скорость движения и газовый состав воздуха принято относить к основным параметрам микроклимата. При этом в данный момент времени основным параметром, оказывающим наибольшее влияние на продуктивность, может выступать любой из них в зависимости от сочетания с другими параметрами. Под воздействием климатических, биологических, технологических, технических и эксплуатационных факторов любой параметр микроклимата имеет своё постоянное или переменное распределение по пространству помещения.
Оптимальные параметры микроклимата должны соответствовать виду, возрасту, продуктивности и физиологическому состоянию птицы при различных методах кормления, содержания, разведения. Для каждого вида и возраста птицы существуют определённые диапазоны значений параметров микроклимата, при которых организм затрачивает минимальное количество энергии для поддержания биологических процессов на оптимальном уровне, это зоны так называемого биологического комфорта. Нижнюю границу такой критической зоны определяют нижние критические значения параметров микроклимата, при которых организм начинает увеличивать свою биологическую активность различными путями (увеличением потребления корма, воды, мышечной активности и др.), что, в конечном счете, приводит к росту теплопродукции, а, следовательно, и теплопотерь организма за счёт снижения продуктивности. В случае превышения верхней границы комфорта организм уменьшает свою биологическую активность на производство продукции и направляет её на адаптацию в новых условиях жизнедеятельности. Из этого следует, что в пределах комфортной зоны теплообразование и теплопо-тери минимальны, а продуктивность максимальна. Размеры комфортной зоны зависят от возраста, степени акклиматизации, уровня кормления и продуктивности. Так диапазон температур зоны комфорта для взрослой птицы составляет ±10 С, а для новорождённого молодняка — ±1 С [79]; Причём, для высокопродуктивных животных она меньше, чем у низкопродуктивных. Границы критических значений основных параметров микроклимата для различных видов птицы разработаны и рекомендованы рядом ведущих институтов (Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт птицеводства, Всероссийский институт экспериментальной ветеринарии и др.) для широкого использования в проектной практике. Нормируются следующие параметры микроклимата: температура, влажность, скорость движения воздуха для периодов года, а также допустимые концентрации вредных газов и освещённость.
Среди факторов окружающей среды температура воздуха помещения; оказывает наибольшее влияние на продуктивность птицы и расход кормов. В зоогигиене различают два диапазона температур: оптимальный и продуктивный: Диапазон оптимальных температур представляет собой те значения, для которых птица при минимальных затратах кормов даёт максимальную продуктивность. Продуктивным, называется диапазон температур, выход за пределы которого, приводит к снижению продуктивности без ухудшения здоровья. В этом диапазоне малые нарушения технологии выращивания птицы приводят к резкому снижению продуктивности.
При повышении температуры воздуха в помещении организм птицы увеличивает теплоотдачу в основном за счёт испарения влаги при дыхании путём увеличения, частоты дыхания. Одновременно с этим снижается производство теплоты за счёт уменьшения потребления корма, что снижает продуктивность. Именно поэтому высокопродуктивная птица при обильном кормлении хорошо переносит холод, и значительно сильнее реагирует снижением продуктивности на высокую температуру..
Основной обмен веществ у взрослой птицы сохраняется при температуре окружающей среды от 10 до 25 С, при этом нижний предел регламентируемой температуры в тёплый период года не достигается. При температуре ниже 10 и выше 25 С ухудшается физиологическое состояние птицы и снижается её яйценоскость. При температуре воздуха 27-29 С возникает перегрев организма, в результате чего увеличивается выбраковка и падёж птицы. Низкая температура также отрицательно влияет на рост, развитие и продуктивность птицы. При этом увеличивается расход кормов.
Теплофизические характеристики влажного воздуха
В этом подразделе будут рассмотрены соотношения, необходимые для построения баланса тепла и влаги в помещении и вывода математической модели теплом ассопереноса.
В водоиспарительных охладителях происходит тепло-влажностная обработка воздуха, основанная на эффекте испарения воды в поток проходящего воздуха. Это приводит к изменению параметров состояния воздуха.
Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха и водяного пара. Обычно влажный воздух имеет низкое парциальное давление, а парциальное давление водяного пара ещё меньше. Поэтому влажный воздух, при давлениях, близких к атмосферному можно рассматривать как идеальный газ. Такое допущение при расчётах позволяет использовать законы, сформулированные для идеальных газов.
Рассмотрим основные параметры влажного воздуха. Наличие влаги в воздухе можно охарактеризовать несколькими показателями. Абсолютной влажностью воздуха называют массу водяного пара, содержащегося в 1м влажного воздуха.
Парциальное давление водяного пара позволяет определить и влагосо-держание. Из уравнений состояния (2.2) и (2.3) получается d=Mjil3L.i0\ (2.7) Мя-Р, Подставив соответствующие численные значения молярных масс и выразив парциальное давление Рв сухого воздуха через парциальное давление Ри пара и давление смеси Р из уравнения Дальтона получим = HIL.IO3 =622-- -. (2.8) 29- Ра Р РП Если при данной температуре Рп= Рн, то влагосодержание в состоянии насыщения сухого воздуха будет иметь вид (/ = 622--L. (2.9) Р-Г Давление насыщения в диапазоне температур от 17 до 320С может быть найдено из уравнения, погрешность которого не превышает 0,15% [74]. Infc)=T4-(- l +A-Ln(T)f (2.10) где T - температура, К; A.i=-7,821541; A0=82,865268; A,=10,28003; A2=-11,48776. В дальнейшем, тегатофизические характеристики влажного воздуха и его компонентов рассматриваются в рабочем диапазоне температур 10 — 40 С. Это связано с тем, что в пределах указанного интервала лежат значения выходных и выходных температур в реальных условиях работы охладителя. В этом же диапазоне удобно пользоваться более простой формулой [132] P„=736-e0 B". (2.11) Из уравнения Менделеева-Клайперона можно определить плотность пара на линии насыщения P -м, іл- л.=—і-— (2.12) R, -Т 461.9-Т Так как давление насыщения зависит от температуры, то удобнее пользоваться зависимостью р„н в рабочем диапазоне температур, полученной в работе [132] рш(і)= 10 (3Jt2-52t + \260). (2.13) Из условия непроницаемости границ потока бинарной смеси её плотность определяется формулой Р = А+А=А+ ". (2-14) Плотность сухого воздуха в рабочем диапазоне температур определяется формулой [132] ре = 0,003-0.031 1.13, кг/м3. (2.15)
Используя табличные данные [70] можно определить парциальное давление пара, влагосодержание воздуха, а также плотность пара на линии насыщения. Эти данные представлены в таблице 2.2.
Плотность влажного воздуха при средней температуре 25 - 30С для простоты можно принять р=1,15 кг/м . Отметим, что значения средних параметров принимаются в тех случаях, когда их погрешность в рабочем диапазоне температур по сравнению с истинным значением не превышает 5 %. В других случаях используются интерполяционные формулы аппроксимирующие табличные данные.
Теплопроводность смеси зависит от концентрации компонентов. Для газовых смесей рекомендуется [70] универсальный метод расчёта, для использования которого необходимы Ue и U„ — массовые концентрации воздуха и пара в смеси; це и и — динамические вязкости, Па с; Кя„ и К„„ — безразмерные поправочные коэффициенты.
Как видно из этой таблицы, теплопроводность влажного воздуха можно принять постоянной и равной Х=2,5 10"2 Вт/(м К), что в реальном диапазоне рабочих температур отличается от истинного значения не более, чем на 2%. Для теплопроводности сухого воздуха легко выводится следующая зависимость Ля= 0,01-(2,44+0,007-/,), (2.17) где te — температура сухого воздуха, С. Теплоёмкость смеси газов определяется по формуле [70] C = Ce-Ua+Cn-Un, (2.18) где Св и С„ — соответственно теплоёмкость сухого воздуха и пара, Дж/(кг К). Используя формулу (2.18), можно определить теплоёмкость влажного воздуха на линии насыщения - таблица 2.4 Таблица 2.3 К определению коэффициентов теплопроводности по формуле (2.17)
Температура воздуха, t,C Массовая концентрация воздуха в смеси, Массовая концентрация пара в смеси, Динамическая вязкость воздуха о. « а ъоя=1 &ГООмо о Ьйр-о УЙо ..О "Ж « гсв XОО.с ос,& га"а. а!я Яо 5О І—- = и ч ca« «а. —си Теплопроводность влажного воздуха МО2. Вт/ґм-Ю 10 0,993 0,007 17,69 9,46 2,5 1,76 2,476 20 0,985 0,014 18,19 9,73 2,58 1,82 2,515 30 0,974 0,026 18,68 10,01 2,65 1,89 2,53 40 0,955 0,0045 19,16 10,31 2,72 1,96 2,51 50 0,927 0,073 20,04 10,62 2,79 2,04 2,46
Как видно из этой таблицы, теплоёмкость влажного воздуха несколько больше теплоёмкости сухого воздуха и может быть принята равной С=1020 Вт/(м К) с ошибкой не более 2% в реальном диапазоне температур. В каналах испарительной насадки на поверхности капиллярно-пористой пластины происходит испарение жидкости, причём в дифференциально тонком слое, непосредственно прилегающем к поверхности пластины, воздух практически всегда насыщен паром. Содержание пара в потоке воздуха меньше, чем у поверхности пластины, поэтому возникает диффузионный поток пара и встречный поток воздуха.
Диффузионные потоки J„ и JB определяются в первую очередь градиентом концентрации (или плотностей) пара и воздуха (концентрационная диффузия). Кроме того, эти потоки могут изменяться под влиянием градиента температуры Т (термодиффузия) и градиента давлений смеси Р (бародиффу-зия).
Методика определения зависимости глубины охлаждения и хол одо производительности от входных параметров воздуха
Исследования проводили на прямом охладителе. Температуру входящего воздуха фиксировали на определенном уровне. После начала подачи воды фиксировали расход воздуха. В таком состоянии лабораторную установку выдерживали до стабилизации температуры выходящего воздуха и, по истечении 5 минут с момента стабилизации, проводили измерения температуры и относительной влажности воздуха на входе и на выходе из охладителя. Температуру изменяли от 25 до 35 С. Глубину охлаждения определяли из выражения & = - Холодопроизводительность, т.е. количество тепла, полученное из воздуха при испарении воды с поверхности пластин насадки определяли из соотношения Q- с-p-G-At,Вт. В процессе испытаний при переходе с одного режима на другой экспериментальная установку выдерживали в течение 5 минут, и после этого производили измерения. Результаты исследования представлены в разделе 3.5.
Входную температуру воздуха фиксировали на определенном уровне. Расход воздуха изменяли от 10 до 60 м3/ч. Измерениям подвергали следующие величины: температура на входе и на выходе из охладителя.
Проверка адекватности математической модели проводилась в процессе сравнения теоретических полученных зависимостей и экспериментальных данных- При этом использовался метод, основанный на определении относительной погрешности совокупности теоретических точек от эмпирических. При этом относительная погрешность определялась по формуле g = / і ОЇ 100% л„ где g - относительная погрешность; gi — абсолютное значение среднего отклонения і-той экспериментальной точки от теоретической; Sj - значение экспериментальной величины в ї-той точке; пт - количество исследуемых пар точек.
Для обработки результатов измерений использовали известные методы теории вероятностей и математической статистики [51, 62, 106]. При выполнении измерений предполагали, что ошибки распределены по нормальному закону, а измерения равноточны.
Для оценки достоверности различий между средними расчетными величинами использовали способ, включающий следующие этапы: 1. Определение среднего арифметического результатов измерений x = i!— n где X; — результат і-того измерения; n — число наблюдений. 2. Определение отклонения от среднего арифметического значения 3. Определение среднего квадратического отклонения сг = л/ ——. « — 1 4. Определение предельной погрешности: Alim = ±3-cr. Все значения, выходящие за х±3сг, отбрасываются, как промахи. Затем повторяются пункты 1-4. 5. Определение ошибки опыта: ACT = —j= V« 6. Определение доверительного интервала: Е = t(n) ACT , где t(n) - значение критерия Стьюдента, который выбирается из таблиц в зависимости от надежности и числа опытов.
Число измерений, которое необходимо провести для получения надежного результата зависит от среднего квадратического отклонения, метода измерения и требуемой надежности результата.
В проводимых экспериментах мы задаемся предельной погрешностью измерения За и надежностью 98%. Вследствие этого число опытов для получения одного экспериментального значения принималось равным 4. 3.5. Выводы
1. На основе построенной математической модели тепломассопереноса в каналах испарительной насадки были получены геометрические параметры экспериментальной установки.
2. Выбраны и использованы методы статистики, необходимые для обработки результатов экспериментальных исследования и анализа адекватности математической модели.
3. Определены необходимые к изучению зависимости характеристик работы охладителя от различных условий его работы.
Анализ влияния температурно-влажностных параметров входного воздуха на глубину охлаждения и холодопроизводительность испарительного охладителя
Кривая, представленная на рис. 4Л, наглядно показывает, что при возрастании температуры наружного воздуха глубина охлаждения возрастает, а из графика, представленного на рис. 4.2, видно, что глубина охлаждения снижается при повышении относительной влажности наружного воздуха. Вместе с тем известно, что относительная влажность воздуха и его температура в случае постоянного влагос одержання находятся в обратно пропорциональной зависимости.
Исходя из этого, характер полученных кривых объясняется следующим образом. Относительная влажность воздуха имеющего низкую температуру при постоянном влагосодержании выше, чем у воздуха с более высокой температурой. Поэтому он, попадая в каналы испарительной насадки, менее интенсивно абсорбирует влагу и, как следствие, его температура снижается меньше, чем у воздуха с более высокой температурой. При повышении температуры наружного воздуха, значение относительной влажности снижается. За счет этого интенсифицируется процесс абсорбции влаги охлаждаемым воздухом и, следовательно, глубина охлаждения повышается.
Этим объясняется одно из преимуществ водоиспарительных охладителей — саморегуляция. То есть способность этого типа охладителей поддерживать значения относительной влажности и температуры воздуха на выходе из насадки практически постоянными, за счет естественного изменения глубины охлаждения воздуха.
В условиях нашей климатической зоны, когда в течении суток наблюдаются значительные изменения температурно-влажностных параметров воздуха это преимущество водоиспарительных охладителей является крайне полезным.
Характер представленных здесь кривых объясняется прежде всего изменением глубины охлаждения воздуха. На рис. 4.3 вдоль оси абсцисс происходит рост температуры воздуха окружающей среды, что, как было описано выше, приводит к повышению глубины охлаждения этого воздуха внутри каналов испарительной насадки и, как следствие, повышению ее хол од производительности. На рис. 4.4 иллюстрируется противоположный результат, когда большей относительной влажности воздуха соответствует меньшее значение холодопроизводительности, вследствие снижения глубины охлаждения у более влажного воздуха.
Из представленного графика видно, что при повышении расхода воздуха глубина охлаждения снижается. Это происходит за счет того, что при повышении расхода, учитывая неизменной ширину каналов испарительной насадки, скорость движения охлаждаемого воздуха повышается и он не успевает насытится влагой и тем самым снизить свою температуру. В том случае, когда расход воздуха повышается за счет увеличения ширины каналов насадки, глубина охлаждения снижается вследствие снижения интенсивности процессов тепломассопереноса внутри охладителя.
Анализ графиков, представленных на рис. 4.5 и 4.6 позволяет сделать вывод о том, что при увеличении расхода воздуха в 5-6 раз, холодопроизво-дительность увеличивается практически в 3 - 4 раза, тогда как глубина охлаждения уменьшается всего на 3 - 3,5 С. Следовательно, при конструировании испарительных насадок нет необходимости стремиться к максимальной глубине охлаждения, так как основное влияние на изменение холодопро-изводительности оказывает расход воздуха.
Очевидно, что для достижения в помещении необходимой температуры воздуха требуется, чтобы его температура на выходе из охладителя была несколько ниже регламентированной. Следовательно, необходимо определить такие геометрические параметры охладителя, которые позволят достичь необходимой глубины охлаждения при минимальном снижении холодопро-изводительности. Этот вопрос рассмотрен в четвертой главе.
В ходе проведения эксперимента были получены эмпирические значения сравниваемых величин. Сравнение проводилось с аналогичными значениями точек, определенных с помощью математической модели (табл. 4Л). Отклонение теоретических значений глубины охлаждения от экспериментальных составляет 4%. Это обусловлено неточностью математической модели, вследствие отсутствия в ней нелинейного элемента, учитывающего энергию потока пара, поступающего в охлаждаемый воздух от поверхности пластин. Характер распределения эмпирических точек относительно теоретической зависимости объясняется различным значением указанного элемента модели, который при различных температурно-влажностных параметрах воздуха внутри каналов испарительной насадки может оказывать как поло 104 жительное, так и отрицательное влияние на результат, получаемый в ходе решения указанной модели.
Аналогично проводились сравнения и для остальных зависимостей. Из вышеуказанного следует, что максимальное отклонение теоретических значений от экспериментальных данных составляет 7—8%. При этом 2% составляет ошибка проведения эксперимента, в среднем Ъ-4% - ошибка, вследствие неточности математической модели и 2—3% составляют ошибки, возникающие из-за неточности измерений.
1. Установлено, что изменение расхода воздуха более сильно влияет на холо допроизводительность, чем изменение глубины охлаждения.
2. Исследованы зависимости эффективности работы охладителя от темпера-турно-влажностных параметров приточного воздуха и от геометрических параметров охладителя.
3. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований показывает, что предложенная математическая модель тепломассопереноса в каналах охладителя адекватно описывает реальные процессы и может использоваться при теоретических исследованиях и опытно-конструкторских разработках.
