По страницам журнала «Отопление и вентиляция» за 1938 год

Редакция «Мир климата» завершает знакомство читателей с материалами ноябрьского выпуска журнала «Отопление и вентиляция» за 1938 год. Надеемся, эта серия публикаций стала для наших читателей не просто иллюстрацией того, как далеко шагнула отрасль, которую сегодня называют климатической индустрией, за без малого восемь десятков лет, но еще и своеобразным памятником инженерам, ученым и простым рабочим, закладывавшим ее фундамент, символом неразрывной связи времен и неостановимого прогресса.

Охлаждение воды с помощью льда, орошаемого этой водой

Ледяное охлаждение при кондиционировании воздуха имеет довольно широкое применение в США. Этот способ охлаждения отличается простотой и обычно не требует больших капитальных затрат по сравнению с другими способами.

Охлаждение льдом имеет значительные эксплуатационные неудобства, вызываемые транспортированием, хранением и загрузкой льда и поэтому связано со сравнительно высокими эксплуатационными расходами. Однако чем короче сезон охлаждения воздуха, тем меньшую роль будут играть эти расходы в общегодовых эксплуатационных расходах по данной установке для кондиционирования воздуха. Кроме того, ввиду дефицита холодильных машин в настоящее время ледяное охлаждение может применяться у нас как временная мера в установках малой мощности.

На рисунке 1 представлена схема установки с ледяным охлаждением. Эта схема может быть применена в том случае, если имеется возможность расположить бункер для льда достаточно низко по отношению к поддону промывной камеры кондиционера. Схема, показанная на рис. 2, отличается от первой схемы наличием второго насоса, необходимого для подачи воды из поддона промывной камеры в бункер при невозможности осуществить подачу воды в бункер самотеком.

Насколько нам известно, охлаждение воды при прохождении ее через лед до настоящего времени исследованию не подвергалось. Отсутствие каких-либо данных по этому вопросу и необходимость получить их с целью использования при проектировании и расчете установок для кондиционирования воздуха с ледяным охлаждением обусловили проведение экспериментальной работы, описываемой в настоящей статье.

При проведении этой работы была поставлена задача выявить зависимость конечной температуры воды и количества тающего льда от толщины слоя льда и удельного количества и начальной температуры воды, разбрызгиваемой надо льдом.

Необходимо отметить, что, помимо этих величин, на процессы охлаждения воды и таяния льда оказывает влияние ряд переменных факторов, не поддающихся учету. К числу таких факторов относятся размеры, форма и расположение кусков льда, распределение воды по поверхности льда в толще ледяной загрузки и форма поперечного сечения ледяного бункера. Эти величины определяют размер поверхности соприкосновения воды со льдом, в значительной степени влияющий на характер процесса теплообмена.

При одних и тех же объемах ледяной загрузки практически не представляется возможным получать одинаковые поверхности соприкосновения воды со льдом, а следовательно, и точно совпадающие результаты охлаждения воды при одинаковых начальных условиях. Поэтому материалы, приведенные в настоящей работе, не позволяют дать общее математическое выражение, характеризующее рассматриваемый процесс; они дают возможность лишь судить о протекании процесса в зависимости от комбинации основных факторов, определяющих этот процесс. Кроме того, по этим материалам представляется возможным установить в пределах условий эксперимента и условий, близких к ним, порядок тех величин, которые необходимы в практических расчетах устройств для охлаждения воды с помощью льда, орошаемого этой водой.

Для проведения экспериментов была оборудована установка, схематически показанная на рис. 3.

Лед загружался в бункер и подвергался орошению водой. Для уменьшения потерь холода бункер был изготовлен из дерева и снаружи изолирован войлоком. Горизонтальное сечение бункера было 0,4×0,4 метра, высота его — 2 метра.

Охлаждаемая вода подводилась в верхнюю часть бункера и разбрызгивалась надо льдом при помощи водораспылителя типа «Стюртевант» с диаметром выходного отверстия в 5 миллиметров.

Смесь охлажденной воды и воды, полученной в результате таяния льда, стекала в нижнюю часть бункера и отводилась в канализацию.

Во время опытов замерялись следующие величины: 1) начальная температура воды, 2) конечная температура воды, 3) расход воды, 4) вес льда и 5) толщина слоя льда.

Начальная и конечная температуры воды определялись при помощи термометров с делениями в 0,2 °C. Количество воды, поступающей в бункер, предварительно измерялось проверенным водомером.

Для определения веса растаявшего льда бункер со льдом был установлен на весы и взвешивался через равные промежутки времени. Вес определялся с точностью до 0,1 кг.

Все указанные величины замерялись через каждые 5 минут, причем для каждой из этих величин было произведено 290 замеров.

При обработке результатов экспериментов принимались средние показания за каждые 15 и 25 минут в зависимости от продолжительности режима экспериментирования. Эта продолжительность определялась временем, необходимым для таяния всего количества льда, загруженного в бункер. Эксперименты производились при 8 режимах, которые отличались друг от друга либо расходом воды, либо начальной температурой ее, либо одновременно тем и другим.

Для этих режимов были приняты следующие расходы воды:

  • 336 кг/час (2100 кг/м2·час) при начальной температуре воды 21, 17 и 15 °C;
  • 496 кг/час (3100 кг/м2·час) при начальной температуре воды 22, 17 и 12 °C;
  • 656 кг/час (4100 кг/м2·час) при начальной температуре воды 22 и 17 °C.

Вначале предполагалось иметь одинаковые диапазоны изменения начальной температуры воды при различных расходах ее, но по климатическим и техническим причинам этого сделать не удалось.

Объемный вес льда, применявшегося при экспериментировании, был равен 0,5–0,52 т/м3. Размер кусков льда в поперечнике составлял 7–15 сантиметров. Начальная толщина слоя льда колебалась от 130 до 150 сантиметров, а конечная — от 5 до 10 сантиметров.

Анализ экспериментов показывает, что конечная температура воды и количество тающего льда могут быть выражены как функции трех величин — начальной температуры воды, расхода воды и толщины слоя льда. Обработка всех опытных материалов сделана в соответствии с этим положением. Результаты экспериментов представлены в виде графиков (рис. 4, 5 и 6), которые показывают конечную температуру воды и количество тающего льда в зависимости от температуры воды, поступающей в бункер, и от плотности дождя, то есть количества воды (в килограммах), распылявшейся в течение 1 часа над площадью в 1 м2 горизонтальной проекции ледяной загрузки (поперечного сечения ледяного бункера) и толщины слоя льда.

При охлаждении воды согласно схемам, представленным на рис. 1 и 2, можно считать приближенно (без учета изменения температуры воды в трубопроводах), что начальная температура воды, поступающей в бункер, равна конечной температуре воды в промывной камере кондиционера, а температура воды, выходящей из бункера, равна начальной температуре воды в указанной камере.

Количество воды, поступающей в промывную камеру, будет равняться сумме количеств воды, поступившей в ледяной бункер, и воды, полученной от растаявшего льда. Следовательно, количество воды, поступающей в бункер из поддона промывной камеры кондиционера, должно быть менее количества воды, поступающей в промывную камеру, на величину, равную весу растаявшего льда.

При расчетах установок с ледяным охлаждением, осуществляемых по указанным выше схемам, необходимо определить начальную и конечную температуру и количество воды, распыляемой в промывной камере кондиционера. Затем, найдя значение этих величин, являющихся исходными условиями для расчета, при некоторой выбранной плотности дождя в ледяном бункере определяют:

  1. толщину слоя льда h (в см);
  2. площадь поперечного сечения бункера F (в м2);
  3. общее количество тающего льда при данных условиях gобщ (в кг/час);
  4. количество воды, подводимой в бункер Gбунк кг/час).

Толщина слоя льда находится по графикам на рис. 4, 5 и 6.

Площадь поперечного сечения бункера может быть определена как частное от деления общего количества воды, подаваемой в промывную камеру кондиционера, на количество воды, выходящей с 1 м2 бункера, при найденной по графикам на рис. 4, 5 и 6 толщине слоя льда. Последнее количество является суммой расхода воды на 1 м2 площади поперечного сечения бункера — плотности дождя Р (в кг/м2·час) — и количества льда, тающего при данной плотности дождя — g (в кг/м2·час). Количество тающего льда — g на 1 м2 поперечного сечения бункера определяется по тем же графикам на рис. 4, 5 и 6.

Общее количество тающего льда будет: gобщ = g·F кг/час.

Количество воды, подаваемой в бункер, определится из выражения:

Gбунк = Gкам — gобщ кг в час,

где Gкам — количество воды, подаваемой в промывную камеру кондиционера из ледяного бункера.

Пример. Согласно расчетам получено:

  • начальная температура воды в промывной камере кондиционера равна 12 °C;
  • конечная температура воды в этой камере равна 17 °C;
  • количество распыляемой воды — 5000 кг/час.

Необходимо найти h, F, gобщ и Gбунк.

Решим задачу при различных значениях плотности дождя в ледяном бункере.

Пользуясь графиками на рис. 4, 5 и 6 и приведенными выше рассуждениями, составим таблицу.

Как видно из таблицы, общее количество тающего льда мало изменяется во всех трех случаях. Теоретически при равных расходах и температурных перепадах воды мы должны были бы иметь одно и то же количество тающего льда для всех случаев. В данном примере количество тающего льда изменяется в пределах 1–4%. Согласно проделанным вычислениям, это расхождение может иногда достигать 15%. С одной стороны, это объясняется относительными ошибками, получающимися при пользовании графиками, а с другой стороны — относительными ошибками при проведении опытов (например, толщина слоя льда определялась приблизительно).

Рассмотрение приведенной таблицы, а также графиков, изображенных на рис. 4, 5 и 6, показывает, что при данной начальной температуре воды, поступающей в бункер, толщина слоя льда, необходимая для получения одного и того же значения конечной температуры воды, не пропорциональна плотности дождя в бункере.

На рисунках 7 и 8 представлены кривые, показывающие зависимость конечной температуры воды от плотности дождя при постоянной толщине слоя льда (h = 25, 50, 75, 100 см) и постоянной начальной температуре воды.

Анализ этих кривых показывает, что при постоянной толщине слоя льда и неизменной начальной температуре воды конечная температура воды при некоторой плотности дождя достигает минимума. Очевидно, что наибольшим предельным значением конечной температуры воды является значение начальной температуры воды. Конечная температура воды может достигать этого значения при беспредельном увеличении расхода воды (плотности дождя).

Как значение плотности дождя, при котором конечная температура воды достигает минимума, так и абсолютная величина этого минимума возрастают с увеличением начальной температуры воды.

Выводы

Температура воды, выходящей из бункера, обратно пропорциональна толщине слоя льда.

Чем выше начальная температура воды при данной плотности дождя, тем больше градиент увеличения конечной температуры воды с уменьшением толщины слоя льда. Иными словами, чем выше начальная температура воды, тем более заметное изменение будет иметь конечная температура воды при изменении толщины слоя льда.

Все эксперименты показали, что изменения толщины слоя льда при больших и малых толщинах (то есть в начале и в конце эксперимента) влияют на конечную температуру охлаждаемой воды значительно резче, чем изменения средних толщин ледяной загрузки (то есть в средней части эксперимента; рис. 4, 5 и 6).

При данной толщине слоя льда конечная температура воды не пропорциональна плотности дождя. При увеличении плотности дождя конечная температура воды убывает до некоторого минимума и затем возрастает. Как значение плотности дождя, при которой конечная температура воды достигает минимума, так и абсолютная величина этого минимума возрастают с увеличением начальной температуры воды.

При данной плотности дождя количество тающего льда возрастает с увеличением начальной температуры воды.

Эффект охлаждения воды при помощи льда зависит от размеров, формы и расположения кусков льда и от связанного с этим распределения воды в толще ледяной загрузки. Эти факторы неопределенны, так как практически они не могут быть заранее обусловлены и в той или иной мере меняются в каждом отдельном случае. Поэтому при повторении всех начальных условий (толщина слоя льда, плотность дождя и начальная температура воды) не представляется возможным получить те же самые значения конечной температуры воды и количества тающего льда.

При ледяном охлаждении, даже в том случае, когда процесс охлаждения воды происходит при постоянных начальных условиях, необходимо регулировать температуру воды, подаваемой в промывную камеру кондиционера. Это регулирование может производиться путем подмешивания к воде, забираемой из ледяного бункера, некоторой доли воды, выходящей из поддона промывной камеры, то есть путем перепуска (минуя ледяной бункер) части воды, поступающей для охлаждения из поддона промывной камеры в бункер, согласно схемам, изображенным на рис. 1 и 2.

Цифровой материал данной работы действителен только в пределах тех конкретных условий, при которых производились эксперименты, и условий, близких к ним.

Необходимо отметить, что на процесс охлаждения воды оказывает влияние также отношение периметра бункера к площади его поперечного сечения. Можно считать, что с уменьшением этого отношения эффект охлаждения воды повысится, так как уменьшится отрицательное влияние стенок бункера, не являющихся охлаждающей поверхностью.

Инженер П. В. Участкин, Ленинградский институт охраны труда

наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест