Влияние влажности воздуха на работу вихревой трубы

65

Снижение эффективности вихревых труб при рабо­те на влажном воздухе обнаружено в первых исследо­ваниях вихревого эффекта. Однако отсутствие строгого аналитического описания процессов, протекающих в ка­мере разделения, затруднило оценку влияния влажно­сти воздуха на работу вихревых аппаратов различной конструкции. Ниже рассмотрены работы, материалы ко­торых в наибольшей степени способствовали формиро­ванию современных воззрений по рассматриваемому вопросу.

Одно из первых исследований работы вихревой тру­бы на влажном воздухе выполнено В. С. Мартыновским и В. П. Алексеевым. Они предполагали, что при изо — энтропийном расширении влажного воздуха в сопло­вом вводе эффект охлаждения снижается под действи­ем фазовых переходов, т. е. из-за выпадения конденса­та и образования частичек льда в потоке. Вычисленную’ с учетом этих факторов температуру на срезе сопла сравнивали с температурой изоэнтропийного расшире­ния воздуха до соответствующего давления. Для про­верки предположения был проведен эксперимент на вих­ревой трубе (Д)=16 мм) с двухсопловым тангенциаль­ным входом при диаметре отверстия диафрагмы Dx = = 0,51, давлении на входе в трубу рс=0,9 МПа и темпе­ратуре Гс = 291 К — Эксперименты проведены на воздухе с абсолютным влагосодержанием 9,8… 14,7 г/м3 и на предварительно осушенном сжатом воздухе с абсолют­ным влагосодержанием; 1—2 г/м3. Расхождения в зна­чениях ДГХ в двух сериях экспериментов составляли около 10 К, а по расчету даже при рс=0,18 МПа они должны были составлять 15,5 К. Несовпадение расчет­ных и опытных результатов позволило сделать вывод о том, что в сопловом вводе водяные пары находятся в переохлажденном состоянии, т.1 е. конденсация и обра­зование твердой фазы в потоке происходят после выхо­да воздуха из сопла.

При анализе работы вихревой трубы на влажном воздухе А. П. Меркулов [16] использовал опубликован­ные материалы и результаты собственных исследова­ний. Автор отмечает, что образовавшийся в присопло — вых сечениях конденсат практически не сепарируется и поступает в охлажденный поток. Это происходит из — за малых размеров капель и высокой степени турбули — зации потока. В результате влагосодержание охлажден­ного потока и сжатого воздуха на входе в сопло прак­тически одинаковое. Заметим кстати, что наличие кон­денсата в охлажденном потоке — одна из причин, за­трудняющих широкое применение вихревых труб в ка­честве охладителей. Возникают условия для осаждения и накопления капельной влаги в охлаждаемом объеме. В ряде случаев это недопустимо, так как нарушается работа термостатируемых устройств.1 Особую опасность осаждение влаги вызывает при Тх<273 К, поскольку капли состоят из переохлажденной воды. При набега­нии потока на препятствие капли осаждаются и прев­ращаются в лед, забиваются каналы, и нарушается ре­жим охлаждения. В ряде исследований наблюдали так­же нестабильное протекание) процессов в камере раз­деления вихревой трубы из-за образования плотной кор­ки льда непосредственно на диафрагме. При увеличе­нии толщины корки уменьшается потом происходит подтаивание и срыв корки льда потоком. Этот процесс периодически повторяется.

Предположив, что сепарация конденсата отсутству­ет, А. П. Меркулов предложил учитывать влияние влаж­ности по зависимости

6Д Tx=qjcp; (22)

Здесь 6ДГх — снижение перепада температур на охлаж­денном конце вследствие фазовых переходов; QB= (Dc — — Dx) + (ісв — іхв) (Dc и Dx — влагосодержащие соответст­венно воздуха перед соплом и насыщенного воздуха при Р=Рх и Т = ТХ; tee и ІхВ — удельная энтальпия соответ­ственно паров воды в сжатом воздухе и воды, образо­вавшей капли жидкости или частички льда после выхо­да из диафрагмы).

Рассматриваемый вопрос наиболее интересно изло­жен в работах [4, 9, 22, 23]. Анализ этих материалов позволил следующим образом трактовать процессы, протекающие в вихревых аппаратах. Снижение темпе­ратуры подаваемого воздуха начинается при его уско­рении в сопловом вводе. Однако здесь возможность по­явления конденсата исключена. При высоких гра­диентах изменения температуры по длине канала (от 40 до 100 К/см) водяные пары переохлаждаются. Ме — тастабильное состояние нарушается за пределами соп­лового1 канала, когда начинается быстрая конденсация паров (скачок конденсации). Такая модель процесса проверена экспериментально на плоских соплах с проз­рачными стенками. В камере разделения вихревого ап­парата скачок конденсации происходит, вероятно, на некотором расстоянии от соплового сечения. Часть конденсата на участках камеры с высокой радиальной составляющей скорости газа поступает в приосевой по­ток и выходит из камеры разделения через диафрагму, т. е. уносится охлажденным потоком. Как показано в гл. 1, радиальная составляющая скорости резко умень-

3* 67

Шается при удалении от соплового сечения. В связи с этим длина участка, на котором капельная влага может поступать в приосевой вихрь, незначительна. На осталь­ной части камеры влага проникает в приосевой поток только в виде пара. Это объясняется тем, что центро­бежная сила превалирует над радиальной; составляю­щей аэродинамической силы, воздействующей на капли.. В основной части камеры капли движутся по траекто­риям, удаляющимся от оси. При увеличении радиуса по­вышается температура омывающего каплю воздуха и жидкость испаряется. В приосевом вихревом потоке осевая составляющая скорости направлена в сторону диафрагмы. Если капля пересекает границу между приосевым и периферийным потоками, то капля и обра­зующиеся из нее пары начинают двигаться в сторону дросселя.

Пары воды попадают в приосевой поток вместе с воздухом, поступающим из периферийного потока. Дви­жение паров от дросселя к диафрагме сопровождается снижением температуры, что вызывает их конденсацию. Следовательно, содержащийся в приосевом потоке кон­денсат имеет различное происхождение. Одна часть его образуется за пределами приосевого потока, другая — из паров, конденсирующихся в приосевом слое. Соот­ветственно различается и влияние’ конденсации на эф­фект температурного разделения. Первая часть конден­сата образуется в месте скачка конденсации, что при­водит к повышению температуры расширяющегося в сопле воздуха. Одновременно повышается температура воздуха, попадающего в периферийный и приосевой потоки. Это равносильно поступлению в камеру разде­ления воздуха с повышенной температурой, и, естествен­но, сопровождается уменьшением ATXJ Влияние другой части конденсата может быть более существенным. В данном случае теплота конденсации выделяется в по­токе на последних стадиях температурного разделения, т. е. конденсация рассматриваемой части влаги проис­ходит с выделением теплоты в охлажденный поток. Кроме того, не весь образовавшийся в приосевом пото­ке конденсат уносится с охлажденным потоком через диафрагму. Часть! капель пересекает границу между приосевым и периферийным потоками, испаряется, а пары снова возвращаются в приосевой поток для пов­торной конденсации. Такая циркуляция влаги равно­
сильна переносу теплоты из периферийного потока в приосевой.

Рассмотрим влияние фазовых переходов на темпе­ратуру периферийного потока. Пока нельзя ответить на вопрос о том, во всем ли объеме воздуха, поступающе­го в периферийный поток, происходит конденсация влаги.

Возможно, часть переохлажденных паров подогре­вается вместе с воздухом и минует промежуточный про­цесс конденсации. При таком протекании процесса вла­га не влияет на процесс температурного разделения. Как сказано выше, образование конденсата связано с повышением температуры воздуха за соплом. Но обра­зовавшаяся жидкость потом испаряется, отбирая теп­лоту от воздуха. Если бы процессы конденсации и ис­парения проходили термодинамически обратимо, то они не влияли бы на конечное значение температуры пери­ферийного потока. Необратимость процессов приводит к уменьшению кинетической энергии, затрачиваемой на механизм температурного разделения. Следовательно, рассматриваемые процессы должны приводить к сни­жению температуры воздуха периферийного потока. К снижению температуры воздуха приводит также испа­рение жидкости, поступающей из приосевого вихревого потока.

Приведенное качественное описание процессов, про­исходящих в камере разделения во влажном воздухе, хорошо согласу- лтг, к Ется с экспериментальными матери — ^ алами. В качестве примера на рис. 28 даны результаты испытаний ап- 30 Парата на сухом и влажном возду­хе, проведенных А. П. Лепявко. Снижение эффекта температурного да разделения зависит от доли охлаж­денного потока. Наибольшее умень — 0 шение эффекта выявлено в диапа — j — зоне изменения ц от значения, со­ответствующего режиму работы с Ю максимальным коэффициентом тем — ^

Рис. 28. Зависимость эффекта температур — 20 ного разделения от влажности = 40 га; 1=12; а = 4°; рс = 0,275 МПа): АТх>К

1 — сухой воздух; 2 — влажный воздух
пературной эффективности, до значения, соответствую­щего режиму работы с максимальным КПД. Это обстоя­тельство свидетельствует об отрицательном воздействии фазовых переходов на механизм температурного раз­деления. Некоторое уменьшение эффекта охлаждения при больших значениях ц вызвано снижением темпера­туры периферийного вихревого потока, т. е. воздействи­ем сопутствующего фактора. Известно, что отвод тепло­ты от стенок камеры, также снижающий температуру периферийного потока, приводит при больших (д, к повы­шению эффективности работы вихревого аппарата.

Форма и размер камеры разделения влияют на ин­тенсивность перемещений влаги из одного вихревого по­тока в другой. Уже в первых исследованиях обнаруже­но, что d увеличением длины цилиндрической камеры разделения возрастает негативное влияние влажности.

Позже выявлено, что в трубах с развихрителями сни­жение эффекта разделения больше, чем в трубах без развихрителей. В конических трубах влияние влажно­сти сказывается меньше, чем в цилиндрических. Меро­приятия, направленные на улучшение условий форми­рования приосевого вихревого потока обычно сопро­вождаются возрастанием негативного влияния влаги на эффект температурного разделения. Пока нет материа­лов, достаточно убедительно показывающих увеличение влияния влажности при уменьшении диаметра камеры разделения, однако есть основание предполагать усиле­ние ее негативного влияния. С уменьшением диаметра камеры увеличиваются центробежные силы, что долж­но интенсифицировать переход капелек жидкости из приосевого в периферийный вихревой ноток. Это ДОЛЖ­НО интенсифицировать циркуляцию влаги в камере и увеличивать потери холода из-за повторной конденса­ции паров в приосевом потоке.

Замечено, что в аппаратах с наклонным, соплом меньше содержание капельной влаги в охлажденном потоке и сокращение эффекта охлаждения. Однако роль угла наклона стенок соплового канала к оси камеры исследована пока недостаточно. Более подробно иссле­дованы другие методы повышения эффективности про­цесса энергетического разделения при работе на влаж­ном воздухе и уменьшения содержания капельной вла­ги в охлажденном потоке. Авторы работ [4, 23, 24] из­менили конструкцию диафрагмы, предложив выполнять
ее в виде трубки, выступающей в камеру разделения на (1,5—3,0)Dx. Наружная поверхность трубки кониче­ская с углом конусности 3,5—7°. Одновременно пред­ложено увеличить длину канала соплового ввода так, чтобы градиент изменения температуры по длине кана­ла не превышал 25 К/см. Это способствует уменьшению степени переохлаждения паров и приближению скачка конденсации к срезу сопла. А. А. Поляков, приняв изо — энтропийным течение воздуха в канале, получил зави­симость

Ft+i

1 М

-Ма

F =

K+1

Кр

2 (ft — 1 >

Где F — относительная площадь поперечного сечения; F — текущее значение площади поперечного сечения канала; FKP— площадь канала в критическом сечении; М — число Маха.

При! линейном распределении температуры по дли­не канала

М = 1/2 (Т0 — T)I[T (K — 1)] .

Реализация указанных предложений позволила по­высить эффективность вихревого аппарата при работе на влажном воздухе (рис. 29). Наличие влаги в потоке Привело К СНИЖеНИЮ эффеКТИВНОСТИ ТОЛЬКО ПрИ ji,<ji, p = = 0,4. Такой результат можно объяснить следующим. Начальный участок камеры разделения фактически яв­ляется сепаратором жидкой фазы, образовавшейся за срезом сопла. Капельки влаги смещаются, к наружной стенке камеры. Благодаря этому приосевой поток фор­мируется из слоев газа с уменьшенным влагосодержа­нием. Снижение эффективности при малых (д, вызвано повышением температуры воздуха из-за конденсации влаги. Отрицательное влияние этого фактора одинако

Во при всех значениях (л. Другим фактором является снижение’ температуры воздуха в периферийном пото­ке. Действие этого фактора усиливается при увеличении ц. При jLt = jLtp положительное влияние второго фактора полностью компенсирует потери холода от повышения температуры воздуха на входе в1 камеру разделения и от возможной конденсации влаги в приосевом вихре­вом потоке. В рассматриваемом эксперименте равнове­сие наступило при |і, р=0,4. При других параметрах сжа­того воздуха равновесию соответствуют другие значе­ния Вероятно, при |i,>|i, p конденсат не может выхо­дить через боковую поверхность приосевого вихревого потока. Он образуется в центральных слоях и испаря­ется во внешних слоях этого потока, т. е. прекращается циркуляция влаги из одного вихревого потока в другой и обратно. Благодаря этому исключаются потери холо­да от повторной конденсации паров воды и при ja>м-р соблюдается равенство КПД при! работе аппарата на сухом и на влажном воздухе.

Увеличение длины канала соплового ввода и орга­низация сепарационного участка в камере разделения вызывают дополнительные потери кинетической энер­гии. В связи с этим КПД аппаратов рассматриваемой конструкции при работе на сухом воздухе всегда мень­ше КПД аппаратов с обычными соплом и камерой раз­деления. Только при работе на влажном воздухе пред­лагаемые конструктивные решения позволяют повышать КПД вихревого охладителя.

На рис. 29 приведена зависимость 0= (D0 — \IdX)/Do От jx; здесь Do и Dx — влагосодержание сжатого и ох­лажденного воздуха. Во всем диапазоне изменения |j, влагосодержание охлажденного’ воздуха меньше, чем сжатого. Основным преимуществом аппаратов рассмат­риваемой конструкции следует считать то, что в них удается уменьшить или полностью исключить содержа­ние капельной влаги в охлажденноц потоке. Это дос­тигнуто отводом основной части капельной влаги в пристеночные слои вихря, в которых радиальная со­ставляющая скорости потока направлена от оси к стен­ке. Пары, образовавшиеся при испарении жидкости в этих слоях, не могут попасть в приосевой поток (если пренебречь турбулентными пульсациями и диффузией)

При обычной конструкции трубы влияние влаж­ности можно учитывать по методике, предложенной
ды в охлажденном по — /// /

Токе. Далее находят У ГL^Jr Jr\s\ / L^/l перепад температур 0,1 О,J 0,4 0$ 0,6 0,7 / При работе на влажном

Воздухе АТх=АТхсух—6ДТх. Как следует из проведен­ного выше качественного анализа процессов, предлагае­мая зависимость завышает величину эффекта охлажде­ния. Это подтверждают результаты экспериментальных исследований. Но авторам настоящей книги не удалось систематизировать эти материалы для получения доста­точно надежной оценки расхождения расчетных и экс­периментальных результатов.

Методика расчета аппаратов с удлиненным сопло-‘ вым вводом и сепарационным участком в камере раз­деления разработана А. П. Лепявко и А. А. Поляковым.

Исходными данными являются расход, давление и заданная температура охлажденного воздуха, давление, температура и влажность сжатого воздуха. В расчете определяют долю охлажденного потока, расход сжато­го воздуха и геометрические параметры трубы.

Определение режима работы. 1. Разность энтальпий воздуха на входе в сопло и на выходе из диафрагмы Aix = Ic — Ix.

2. Безразмерный эффект охлаждения 1 — Qx = Atx/ ,:(срТс), где QX=TX/Tc — Для сухого воздуха.

11

10

£

Рис. 30. Номограмма для расчета вихревой трубы, работающей иа влажном воздухе

А. П. Меркуловым.

Суть ее заключается з д следующем. На первом

Этапе определяют пере — g пад температур на ох-

Лажденном конце тру — 7 бы Дї’х. сух при работе

На сухом воздухе. По $ уравнению (22) рассчи-

Тывают поправку 6АТх, § Учитывающую влияние

X)

Фазовых переходов во — ^

3. Долю охлажденного потока ju, находят по номо­грамме (рис. 30).

4. Расход сжатого воздуха GC = GX/ц.

Определение геометрических параметров. 1. Относи­тельный диаметр диафрагмы: Dx = 0,46 + 0,2|j, при Д>> >0,042 м; Dx = 0,36 + 0,35ц+(3,1-4,7ц) при 0,01 м<Д,< <0,042 м; Dx = 0,36 +0,35ц при D0<0,01 м. Геометриче­ские параметры соединения диафрагма — патрубок вы­бирают из соотношений: длина вылета 1= (1,5…3,0)DX; угол конусности патрубка 3,5…7°.

2. Относительная площадь проходного сечения соп­лового ввода ^c = 0,001 + 0,2e-0’6|i,-°’6Dx1’7Do~0’2; при рас­чете задаются предварительно значением диаметра D0 в сопловом сечении.

3. Сопловой ввод профилируют таким образом, чтобы скорость охлаждения потока не превышала 20— 25 К/см.

При критическом режиме истечения из сопла пло­щадь его поперечного сечения

^ = /77/(0,04асрс),

Где ас = 0,92—коэффициент расхода для профилиро­ванного соплового ввода.

4. Площадь поперечного сечения вихревой трубы в сопловом сечении F0 = FC/F С.

5. Диаметр вихревой трубы в сопловом сечении

D0 = V 4 F0/N .

После определения Do выполняют уточненный расчет по пунктам 2, 4, 5.

6. Высота и ширина соплового ввода прямоугольно­го сечения (в наименьшем сечении) соответственно

H = I/O‘$F~Q И b — 2h.

7. Длина камеры разделения L= (12…14)D0.

8. Угол конусности вихревой камеры выбирают в пределах а = 3…4°.

9. Диаметр отверстия диафрагмы DX = DXD0.