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
|
Расход воздухаG, кг/ч |
n |
Показания ротаметра |
Расход воды W, кг/ч |
Коэфф. орошения В, кг/кг |
Параметры обрабатываемого воздуха |
Адиабатн. коэфф. Еа |
|||
|
Вход в камеру |
Выход из камеры |
||||||||
|
t1, °C |
j1.% |
tм1 ,°C |
t2, °C |
||||||
|
1800 |
1 |
24 |
20,17 |
0,0112 |
25,3 |
40,0 |
16,35 |
20,5 |
0,54 |
|
1800 |
2 |
29 |
24,37 |
0,0135 |
24,3 |
44,7 |
16,38 |
16,6 |
0,97 |
|
1800 |
3 |
34 |
28,57 |
0,0159 |
24,3 |
44.7 |
16,38 |
16,5 |
0,98 |
|
1710 |
1 |
24 |
20,17 |
0,0118 |
25,0 |
42,3 |
16,52 |
19,2 |
0,68 |
|
1710 |
2 |
29 |
24,37 |
0,0143 |
24,5 |
44,7 |
16,54 |
16,8 |
0,97 |
|
1710 |
3 |
33 |
27,73 |
0,0162 |
24,3 |
45,3 |
16,48 |
16,6 |
0,98 |
|
1620 |
1 |
24 |
20,17 |
0,0125 |
24,8 |
42,5 |
16,40 |
18,3 |
0,77 |
|
1620 |
2 |
29 |
24,37 |
0,015 |
24,3 |
44,2 |
16,30 |
16,7 |
0,95 |
|
1620 |
3 |
33 |
27,73 |
0,0171 |
24,3 |
45,7 |
16,54 |
16,6 |
0,99 |
|
1530 |
1 |
24 |
20,17 |
0,0132 |
24,7 |
42,8 |
16,86 |
18,4 |
0,8 |
|
1530 |
2 |
29 |
24,37 |
0,0159 |
24,3 |
45,8 |
16,56 |
16,8 |
0,97 |
|
1530 |
3 |
31 |
26,05 |
0,017 |
24,2 |
45,7 |
16,46 |
16,5 |
0,99 |
|
1440 |
1 |
24 |
20,17 |
0,014 |
24,5 |
43,8 |
16,39 |
17,8 |
0,83 |
|
1440 |
2 |
27 |
22,69 |
0,0158 |
24,1 |
46,8 |
16,56 |
16,7 |
0,98 |
|
1440 |
3 |
31 |
26,05 |
0,0181 |
24,1 |
46,5 |
16,52 |
16,6 |
0,99 |
|
1350 |
1 |
24 |
20,17 |
0,0149 |
24,4 |
44,9 |
16,49 |
17,5 |
0,87 |
|
1350 |
2 |
27 |
22,69 |
0,0168 |
24,0 |
47,1 |
16,53 |
16,7 |
0,98 |
|
1350 |
3 |
31 |
26,05 |
0,0193 |
23,9 |
45,3 |
16,16 |
16,2 |
0,99 |
|
1260 |
1 |
24 |
20,17 |
0,016 |
24,2 |
45,2 |
16,38 |
17,2 |
0,9 |
|
1260 |
2 |
27 |
22,69 |
0,018 |
23,8 |
48,5 |
16,60 |
16,8 |
0,97 |
|
1260 |
3 |
31 |
26,05 |
0,0207 |
23,9 |
47,1 |
16,45 |
16,5 |
0,99 |
|
1170 |
1 |
24 |
20,17 |
0,0172 |
24,1 |
46,8 |
16,56 |
16,9 |
0,95 |
|
1170 |
2 |
27 |
22,69 |
0,0194 |
23,6 |
50,0 |
16,67 |
16,8 |
0,98 |
|
1170 |
3 |
31 |
26,05 |
0,0223 |
23,7 |
48,3 |
16,48 |
16,5 |
1 |
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».