Обмерзание и конденсация водяного пара в перекрестноточных пластинчатых рекуператорах.

При охлаждении влажного воздуха ниже точки росы происходит конденсация водяного пара и образование жидкой или твердой фазы на поверхности разделительных стенок. При положительных температурах приточного воздуха необходимо решать задачу удаления жидкого конденсата, для чего конструкция рекуператора должна предусматривать наличие конденсатоотводчиков. Исключить конденсацию в большинстве случаев возможно только за счет существенного снижения эффективности (путем предварительного подогрева) — в этом случае встает вопрос о рациональности применения теплообменника вообще. Вместе с тем, утилизация теплоты фазового перехода позволяет значительно повысить эффективность рекуператора (от 0,5–0,6 до 0,7–0,8), и отказываться от возможности экономить дополнительно 20% энергии в системах В и КВ не следует. При отрицательных температурах приточного воздуха возможно как обледенение, так и образование инея в каналах пакета. Анализ ряда работ [1–3] позволяет сделать заключение о том, что возникновение льда может происходить вследствие натекания пленки конденсата на слой инея, а не при непосредственном замерзании водяной пленки (или капель). Поскольку плотность инея много ниже плотности льда, именно кристаллы инея блокируют каналы и являются причиной возрастания перепада давления в каналах. Исследования специалистов в области тепломассопереноса и гидродинамики [4–5] показали, что деградация теплообмена происходит в основном вследствие роста аэродинамического сопротивления теплообменной поверхности. Блокирование каналов твердой фазой приводит к увеличению сопротивления пакета, что ведет за собой снижение расхода по тракту удаляемого воздуха. Потенциала удаляемого воздуха при малых расходах недостаточно для нагрева приточного, и эффективность рекуператора снижается. Рост термического сопротивления твердой фазы в результате накопления конденсата оказывает вторичное воздействие на эффективность аппарата, а на начальном этапе инееобразование может быть даже выгодно. Действительно, отдельные кристаллы инея могут работать как интенсификаторы теплообмена подобно ребрам и турбулизаторам потока. Существует достаточно много способов борьбы с обмерзанием [6], например, периодическое отключение рекуператора с целью размораживания, предварительный подогрев приточного воздуха, реверсирование потоков. Как правило, принятие проектных решений, направленных на борьбу с побочными явлениями при конденсации, основано на интуитивных представлениях о характере процессов, протекающих в теплообменнике. Инженерные методики расчета процессов тепломассопереноса с фазовыми переходами не дают на сегодняшний день удовлетворительных результатов, поскольку основаны на априорных допущениях и привязаны к узкому кругу эмпирических данных. Качественная и количественная оценка распределения температур и скоростей, а также информация о фазовых превращениях может быть получена путем численного исследования процессов переноса. Однако, несмотря на значительный прогресс вычислительных методов, решение комплексной сопряженной задачи гидродинамики, переноса теплоты и массы, например, при инееобразовании на сегодняшний день чрезвычайно трудоемок. Процессы фазовых переходов «газ–твердое тело» и «жидкость–твердое тело» пока не получили универсальной и точной трактовки и являются объектами исследований различных областей физической химии и микрофизики. Целью настоящего исследования является стремление показать на конкретных примерах особенности образования жидкой и твердой фазы в пластинчатых перекрестноточных рекуператорах и дать приближенную оценку явлениям фазовых переходов и накоплению конденсата. В качестве инструмента теоретического анализа использована разработанная автором методика расчета перекрестноточных рекуператоров, в основе которой лежат фундаментальные уравнения сохранения энергии, движения и массы [7]. Данные об образовании инея получены из эксперимента. Рассмотрим тепломассоперенос в рекуператоре c размерами пакета: BxBxH = 0,5x0,5x0,5 м, расстоянием между пластинами h = 0,004 м при расходе приточного и вытяжного воздуха L₁ = L₂ = 500 м₃/ч, температуре и относительной влажности вытяжного воздуха t₂₁ = 22°C, φ₂₁ = 60% соответственно, в диапазоне температур приточного воздуха t₁₁ = 1–10°C. Температура приточного воздуха принята положительной с целью исключить возможность образования твердой фазы. Относительно конденсата приняты следующие допущения: Образующийся конденсат уносится воздухом. Его движение определяется только влиянием основного потока. Действием силы тяжести пренебрегаем. Задача решается в стационарной постановке. Конденсат образуется в виде тонкой пленки, влияние которой на гидродинамику течения несущественно, термическим сопротивлением конденсата пренебрегаем. На рис. 1 представлены результаты расчетов распределения плотности потока массы водяного пара на стенке при температуре притока t₁₁= 10°C, рассчитанной по формуле (1). Здесь и далее пунктирными стрелками показано направление течения приточного нагреваемого воздуха, сплошными — удаляемого охлаждаемого воздуха. Данный график позволяет судить о количестве образующегося конденсата, поскольку характеризует мгновенное приращение толщины пленки за счет конденсирующегося пара. J = ρxUxhx[d(g)/dx], (1) где h — высота канала; U — средняя скорость в канале; ρ— плотность влажного воздуха; g — влагосодержание. Анализируя данные рис. 1, можно сделать вывод о том, что толщина водяной пленки имеет максимум, находящийся в части пакета, примыкающей к месту подачи холодного приточного воздуха. Действительно, в этой зоне высоки градиенты температур, и процессы тепломассопередачи протекают особенно интенсивно. Суммарный тепловой поток на стенке определяется как сумма конвективной составляющей (сухой теплообмен), а также теплоты, передаваемой при фазовом переходе: Q_e = αx∆t + φxr, (2) где r — теплота парообразования; ∆t — разность температур приточного и удаляемого воздуха; α— коэффициент теплопередачи. Для рассмотренной задачи величина суммарного теплового потока вычислена по изменению энтальпии приточного воздуха, тепловой поток за счет конденсации — путем расчета изменения влагосодержания удаляемого воздуха в рекуператоре, а конвективная составляющая — как их разность. На рис. 2 представлено сравнение составляющих суммарного количества теплоты, передаваемой в рассматриваемом теплообменнике, рассчитанных для различных температур приточного воздуха. Снижение температуры притока, как и следовало ожидать, приводит к интенсификации тепло- и массоотдачи. Из графиков рис. 2 можно судить о том, что доля теплоты, передаваемой в рекуператоре при конденсации водяного пара для принятых условий, достигает величины 25 %. Влияние образования инея на эффективность и сопротивление теплообменного пакета получено опытным путем. Испытания проведены на лабораторном стенде кафедры «Кондиционирование воздуха» СПбГУНиПТ. Испытания проводились в течение девяти часов, при этом через определенные промежутки времени измерялись средние температуры приточного и удаляемого воздуха на входе и выходе из рекуператора, а также падение давления в пакете. В помещении поддерживалась постоянная температура и влажность (t₂₁ = 21°C, φ₂₁ = 30 %). В конце эксперимента теплообменный пакет был вскрыт (при отрицательной температуре) и распределение инея было зафиксировано визуально. По прошествии 9-ти часов часть каналов пакета была полностью перекрыта инеем. По длине канала иней имел различную структуру, что изображено на рис. 3. Так, в начале зоны инееобразования наблюдалось плотное скопление мелких кристаллов (зона I). Высота этого слоя постепенно росла по длине канала, плотность инея при этом уменьшалась. Далее шла зона II инея с малой плотностью, который перекрывал практически весь канал. В конце зоны располагались отдельные крупные кристаллы, постепенно исчезающие к концу канала (зона III). Результаты испытаний представлены на рис. 4 и 5. Об изменении эффективности теплообменника можно судить по снижению степени утилизации теплоты удаляемого воздуха в процессе обмерзания, т.е. по изменению температуры вытяжки t₂₂ на выходе из рекуператора. Из графиков видно, что изменение эффективности и сопротивления подчиняются линейному закону. Линейное изменение характеристик рекуператора могло быть вызвано низкой влажностью в помещении лаборатории, исключавшей образование и замерзание жидкого конденсата. Точка росы влажного удаляемого воздуха была отрицательной, и инееобразование носило сублимационный характер, т.е. водяной пар переходил в иней, минуя жидкую фазу. Есть основания предполагать, что тип образующегося инея, а следовательно и характеристики теплообменника, зависят от градиента температур и концентраций водяного пара, а также гидродинамики течения. Формирование инея в одних каналах приводит к росту сопротивления и увеличенным скоростям течения в каналах без инея. На основании серии проведенных опытов и теоретических исследований можно предположить, что существует режим стабильной работы рекуператора при отрицательных температурах, характеризующийся, однако, низкой эффективностью и высоким сопротивлением пакета. Дать количественную оценку данному факту пока не представляется возможным, поскольку экспериментальных данных недостаточно. Используя приведенные теоретические и опытные данные, можно получить представление о характере образования жидкого конденсата для широкого диапазона конструктивных и режимных параметров, а также прогнозировать изменение основных показателей эффективности перекрестноточных пластинчатых рекуператоров в условиях образования инея.

Литература 1. Okawa S., Saito A., Suto H. The experimental study on freezing of supercooled water using metallic surface. Int. J. of Refr., 2002, vol. 25, pp. 514–520. 2. Smith-Johannesen R. Some experiments on the freezing of water. Science, 1948, №108, p. 652. 3. Strub M., Jabbour O., Bedecarrats J.P. Experimental study of the crystallization of a water droplet. Int. J. of Refr., 2003, vol. 26, рр. 59–68. 4. Вишневский Е.П. Особенности обеспечения эффективной работы пластинчатых теплообменников рекуперативного типа в суровых климатических условиях. Журнал «С.О.К.», №1/2005, с. 84–91. 5. Ostin R., Anderson S. Frost growth parameters in a forced air stream. Int. J. of Heat and Mass Transfer, 1991, vol. 14. рр. 1009–1017. 6. Yun R., Kim Y., Min M. Modelling of frost growth and frost properties with airflow over a flat plate. Int. J. of Refr., 2002, vol. 25, рр. 362–371. 7. Белоногов Н.В., Пронин В.А. Математическое моделирование процессов теплообмена в перекрестноточном пластинчатом рекуператоре. Вестник МАХ, №4/2003.